MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2012
Bc. Karel Hloch
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Světelná technika motorových vozidel Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Bc. Karel Hloch
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Světelná technika motorových vozidel vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne………………………………………. podpis diplomanta ……………………….
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za odborné vedení při vypracování této práce, za konzultace a podnětné rady a připomínky.
Chtěl bych poděkovat i zaměstnancům firmy HELLA AUTOTECHNIK, s.r.o. za odbornou konzultaci a poskytnutí užitečných informací i podkladů pro vypracování diplomové práce.
ABSTRAKT Tato diplomová práce na téma Světelná technika motorových vozidel je členěna na kapitoly a první se zabývá základními pojmy, které jsou charakteristické pro světelnou techniku a legislativu. Největší část nazvaná světelná technika se věnuje historii a popisu světelných zdrojů, jednotlivým konstrukcím, inteligentním funkcím i inovacím světlometů a také regulaci sklonu. V posledních kapitolách je popsána metodika měření světelného zdroje a vyhodnocení naměřených výsledků s grafickým vyhodnocením a popisem. Klíčová slova Světlomet, LED technologie, halogen, xenon, adaptivní světlomety
ABSTRACT This diploma thesis Light Technic of Vehicles is divided into chapters and the first one deals with basic concepts that are characteristic for the light technic/technology and legislation. The largest part called Light Technic is being dedicated to history and description of the lighting sources, each constructions, intelligent function and inovation of headlights and regulation of gradient. In the last chapters is being descripted a methodology of light source measuring and an evaluation of measured results with its graphical evaluation and description.
Key words Headlight, LED technology, halogen, xenon, adaptive headlighs
OBSAH: 1
ÚVOD .................................................................................................................................7
2
CÍL PRÁCE ........................................................................................................................8
3
ZÁKLADY SVĚTELNÉ TECHNIKY MOTOROVÝCH VOZIDEL ..............................9 3.1 Základní pojmy, veličiny ............................................................................................9 3.1.1 Fyzikální veličiny .................................................................................................10 3.1.2 Definice světelné techniky ....................................................................................10 3.2 Legislativa .................................................................................................................11 3.2.1 Předpisy Evropské hospodářské komise při OSN (EHK) ....................................11 3.2.2 Směrnice z roku 1976 a 1977 ...............................................................................12 3.2.3 Předpisy pro automobily a jejich vybavení ...........................................................12 3.2.4 Vývoj předpisů pro automobilové osvětlení .........................................................13 3.3 Základy optiky ..........................................................................................................13 3.3.1 Šíření světla, index lomu ......................................................................................14 3.3.2 Odraz a lom světla ................................................................................................17 3.3.3 Optické zobrazení .................................................................................................19 3.3.4 Zobrazení zrcadlem...............................................................................................20 3.3.5 Zobrazení čočkou ..................................................................................................21
4
SVĚTELNÁ TECHNIKA ................................................................................................24 4.1 Historie......................................................................................................................24 4.2 Světelné zdroje ..........................................................................................................25 4.2.1 Žárovky .................................................................................................................25 4.2.1.1 Konvenční žárovka .......................................................................................25 4.2.1.2 Halogenová žárovka .....................................................................................28 4.2.1.3 Xenonová výbojka ........................................................................................30 4.2.2 LED diody.............................................................................................................33 4.3 Světlomety ................................................................................................................35 4.3.1 Vývoj, konstrukce .................................................................................................36 4.3.2 Hlavní světlomet ...................................................................................................37 4.3.3 Současné světlomety .............................................................................................39 4.3.3.1 Parabolické světlomety .................................................................................39 4.3.3.2 Elipsoidní (projekční) světlomety .................................................................39 4.3.3.3 Světlomety s volnou odrazovou plochou (FreeFlat) .....................................40 4.3.3.4 Kombinované světlomety .............................................................................41 4.3.4 Moderní světlomety ..............................................................................................42 4.3.4.1 Systém světlometů „Litronic“ (Light-Electronics) .......................................42 4.3.4.2 Reflexní světlomety ......................................................................................44 4.3.4.3 Světlomet Bi – xenon ....................................................................................44 4.3.5 Adaptivní světlomety ............................................................................................46 4.3.5.1 Vývoj adaptivních světlometů ......................................................................46 4.3.5.2 Statické světlomety (AFS) ............................................................................46 4.3.5.3 Adaptivní dynamické světlomety (AHL) .....................................................47 4.3.5.4 Adaptivní světlomety (AFL) .........................................................................48 4.3.5.5 Systém ALC (Cornering Lights with Adaptive Light Control) ....................49 4.3.5.6 Systém DLS (Distributive Lighting System) ................................................50 4.3.6 LED světlomety ....................................................................................................50 4.3.6.1 Hlavní světlomet LED ..................................................................................50
4.3.6.2 Světla pro denní svícení ................................................................................51 4.3.7 Návěsná světla ......................................................................................................52 4.3.8 Inovativní světlomety ...........................................................................................53 4.3.8.1 Světlomet s článkovými clonami ..................................................................53 4.3.8.2 Pixelové světlomety ......................................................................................53 4.3.8.3 Laserové světlomety .....................................................................................54 4.4 Inteligentní funkce světlometů..................................................................................54 4.4.1 Funkce „Doprovoď mě domů“ (Follow-me-home) ..............................................54 4.4.2 Uvítací světlo (Welcome light) .............................................................................55 4.4.3 Funkce „Detekce chodce“ .....................................................................................55 4.5 Regulace sklonu světlometů .....................................................................................55 4.5.1 Ruční regulace ......................................................................................................56 4.5.2 Automatická regulace ...........................................................................................56 4.5.2.1 Statický systém .............................................................................................56 4.5.2.2 Dynamický samočinný systém .....................................................................56 4.5.3 Seřízení světlometů ...............................................................................................57 5
METODIKA MĚŘENÍ .....................................................................................................58 5.1 5.2 5.3
6
Příprava měření .........................................................................................................58 Přístroje a jejich popis...............................................................................................59 Vlastní měření ...........................................................................................................61
VYHODNOCENÍ ZMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT ..............................62 6.1 6.2 6.3
Grafické vyjádření hodnot z tabulky ........................................................................63 Hodnocení změřených světelných zdrojů na regloskopu .........................................64 Celkové vizuální zhodnocení měření ........................................................................69
7
ZÁVĚR .............................................................................................................................71
8
SEZNAM LITERATURY A ELEKTRONICKÝCH ZDROJŮ: .....................................72
9
SEZNAM OBRÁZKŮ ......................................................................................................75
10 PŘÍLOHY .........................................................................................................................78
1 ÚVOD V dnešním světě, který se neustále zrychluje, si člověk již nedovede představit svůj život bez dopravních prostředků. Dopravní prostředky se používají nejen k přepravě lidí a materiálu, ale také jako zábavní a sportovní nářadí. To platí zejména u motocyklů a automobilů všeho druhu. Na dopravní prostředky se kladou stále větší nároky, rostou výkony, jízdní rychlosti, s čímž jsou spojeny vysoké nároky na bezpečnost všech účastníků provozu. Lidské vlastnosti, jako je reakce či schopnost koncentrace jsou omezené, ovlivňují je různé faktory, a tak se je snažíme kladně ovlivnit použitím moderní techniky. Bezpečnost vozidel se stala jedním z nejzákladnějších požadavků při pořizování automobilu. Aktivní bezpečností se rozumí všechny systémy i konstrukční opatření, jejichž cílem je předcházení vzniku kolize a napomáhání obsluze v kritických momentech kolizi zabránit. Do aktivní bezpečnosti patří také světelná technika. Světelná technika byla jedna z prvních příslušenství, která se stala součástí automobilů. Je to už více jak 100 let, kdy se začaly používat nevýrazné plamínky svíček a lamp, o jejichž účinnosti lze velmi silně pochybovat a ve srovnání s dnešním moderním světlometem na nás působí úsměvně. Od klasických žárovek, které se používaly do 70. let minulého století, se světelná technika postupně dostala přes halogenové žárovky, xenonové výbojky až k LED diodám. Ty se stávají v dnešní době hojně využívaným světelným zdrojem. Zlepšování jízdních parametrů si vyžádalo nové konstrukční úpravy světlometů. Byly zavedeny mezinárodní a národní zákonné předpisy, technické normy a zásady na osvětlovací soustavu pro bezpečnost účastníků silničního provozu. Dále jsou zpracovány ve vyhlášce ministerstva dopravy č. 341/2002 Sb. o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích. V ní jsou popsány požadavky na elektrický rozvod a instalaci ve vozidle. V paragrafovaném znění je dále popsáno osvětlení vozidel, světlomety, obrysová, parkovací světla, osvětlení poznávacích značek, brzdová a směrová světla, odrazky, světla do mlhy, zpětná světla, světelná výstražná zařízení, zvláštní výstražná světla atp. Jako každá technika, tak i ta světelná se postupem doby a s přibývajícími potřebami a nároky stále zdokonaluje, což se týká nejen použitých materiálů, ale i výrobních technologií jednotlivých výrobců.
7
2
CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je popsat základy optiky a zdroje světla, vytvořit
přehled historických světelných zařízení automobilů, rozebrat jednotlivé konstrukce nových světlometů a jejich vlastností, což se týká konvenčních, adaptivních a inovačních technologií osvětlení vozidla a popsat jednotlivé systémy regulace sklonu světlometů. V praktické části pak provést měření a vyhodnocení testovaných světelných zdrojů.
8
3
ZÁKLADY SVĚTELNÉ TECHNIKY MOTOROVÝCH VOZIDEL Optické vnímání je velmi důležité pro správné reakce řidiče. Základní
a nejdůležitější je mít dobrý výhled z vozidla, mít dobře osvětlenou komunikaci i její nejbližší okolí. Lze tedy říci, že na optický systém světelného zařízení a jeho parametry je kladen velký důraz. V podkapitolách jsou postupně rozebrány základy světelné techniky.
3.1 Základní pojmy, veličiny Světlo se řadí mezi elektromagnetické záření. Druhy záření se od sebe liší vlnovou délkou. Vlnová délka (λ) viditelného záření leží v rozsahu 380 (400) až 760 (800) nm, což je poměrně malý rozsah elektromagnetického záření. Velikost vlnové délky λ odpovídá zbarvení světla (viz tab. 1). Zdrojem světla jsou tělesa zahřátá na teplotu, která je vyšší než 525 °C. Tato teplota odpovídá vzniku elektrického výboje v plynech tzv. luminiscenci. (HALLIDAY, a další, 2001) Tab.1: Barvy a jejich vlnové délky Barva
λ
-
[nm]
fialová
400 – 430
modrá
430 – 500
tyrkysová
500 – 520
zelená
520 – 565
žlutá
565 – 590
oranžová
590 – 625
červená
625 – 800
Pojmy potřebné pro správné nastavení a umístění světlometu: ▪činná výstupní plocha světla – je souhrn všech částí povrchu, jimiž záření prochází a podílí se na vytvoření pole osvětlení nebo pole viditelnosti ▪referenční osa světelného záření – je přímka, ke které jsou vztahovány světelné vlastnosti světla. Při instalování a nastavování vnějšího osvětlení platí, že základní postavení musí být v referenční ose vodorovné a rovnoběžné s podélnou svislou rovinnou souměrnosti vozidla (KUBÁT, a další, 2003)
9
3.1.1 Fyzikální veličiny Světlo lze kromě základních pojmů popsat i několika fyzikálními veličinami a to: ▪ Vlnová délka λ [m] - označuje vzdálenost dvou nejbližších bodů vlnění, které kmitají se stejnou fází ▪ Svítivost I [Cd] - je základní světelnou veličinou. Svítivost je hustota světelné energie, vyzařované do určitého směru ▪ Světelný tok Ф [lm] - množství světelné energie, které je vydané zdrojem za jednu sekundu ▪ Měrný výkon η [lm.W-1] – vyjadřuje
nám
vztah
mezi
světelným
tokem
Ф a elektrickým příkonem elektrického světelného zdroje (HALLIDAY, a další, 2001) ▪ Světelné množství Q [lm.s] - světelné množství je součin světelného toku Φ a doby, po kterou světelný zdroj svítí ▪ Jas L [cd.m-2] -
je podíl svítivosti I plošky zdroje v daném směru a průmětu této plošky do roviny kolmé na daný směr. V některé literatuře se uvádí jednotka nit [nt]
▪ Intenzita osvětlení E [lx] – je hustota světelného toku Φ, který dopadá na plochu. Osvětlení 1 lx vyvolá světelný tok 1 lm rovnoměrně rozložený na ploše 1 m2 ▪ Osvit H [lx. S] -
osvit je podíl světelného množství Q a velikosti osvětlení plochy S nebo součin intenzity osvětlení E a doby trvání osvětlení
▪ Teplota chromatičnosti [K] - definuje se porovnáním s tzv. „černým tělesem“. Při zvýšení teploty černého tělesa se zvětší ve spektru poměr modré proti červené barvě. Žárovka má teplotu cca 2700 K, zářivka podobná dennímu světlu cca 6000 K (ŠTASTNÝ, a další, 2000) 3.1.2 Definice světelné techniky světlomet - je zařízení, konstruované k osvětlení vozovky ▪ tlumené světlo -
znamená světlo, užívané k osvětlení vozovky před vozidlem, aniž by nepatřičně oslňovalo nebo obtěžovalo řidiče, přijíždějící z opačného směru nebo jiné uživatele vozovky
▪ dálkové světlo -
znamená světlo, užívané k osvětlování vozovky na velkou vzdálenost před vozidlem
10
▪ světlomet do mlhy - znamená světlo zlepšující osvětlení vozovky za mlhy, sněžení, bouřky nebo v mračnech prachu svítilna - je zařízení k vysílání světleného signálu ostatním uživatelům silnice ▪ směrová svítilna - je svítilna, sloužící k informaci pro ostatní uživatele silnice, že řidič chce měnit směr vpravo nebo vlevo ▪ denní svítilna -
je svítilna, která směřuje dopředu a která činí vozidlo snadněji viditelné za jízdy ve dne
▪ přední obrysová svítilna - je svítilna, užívaná k označení přítomnosti vozidla a jeho šířky při pohledu zepředu. ▪ odrazky – svítidla aktivovaná cizím zdrojem (Škoda Auto, a. s., 2008)
3.2 Legislativa V dnešní době, době průmyslové výroby se zavádí nové předpisy a normy, kterými se výrobci musí řídit. Je tak zaručeno, že výrobky jsou navrhnuty tak, aby jeho každá část splňovala správnou funkci a splňovala nároky na bezpečnost. Předpisy, normy a různá nařízení předepisují minimální požadavky, které musí výrobek splnit, jinak ho nelze uvést na trh. Stejné je to i pro výrobu světelného zařízení. V České republice se upravují podmínky vyhláškou č. 341/2002 Sb. o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích, která se samozřejmě odvíjí od nařízení a předpisů EHK. 3.2.1 Předpisy Evropské hospodářské komise při OSN (EHK) Dle rozdělení Evropské hospodářské komise při OSN (zkratka EHK) se předpisy pro automobilové součásti a příslušenství dělí do tří základních skupin: ▪ součásti pro aktivní bezpečnost, ▪ součásti pro pasivní bezpečnost, ▪ součásti pro ochranu životního prostředí. (Škoda Auto, a. s., 2008) Většina předpisů o osvětlení automobilu patří do aktivní bezpečnosti, jsou to například.: ▪ EHK 7 – obrysové, doplňkové obrysové a brzdové světlo ▪ EHK 8 – světlomety s žárovkou jinou než H4 ▪ EHK 19 – přední mlhové světlomety ▪ EHK 20 – světlomety s žárovkou H4 ▪ EHK 48 – jednotná ustanovení pro homologaci vozidel z hlediska montáže zařízení pro osvětlení a světelnou signalizaci
11
3.2.2 Směrnice z roku 1976 a 1977 Směrnice Rady Evropské unie z roku 1976 navazovala na schvalovací procesy z roku 1958. Evropské hospodářské společenství (EHS) ustanovilo pravidla pro schvalování osvětlovací techniky na nových vozidlech. Směrnice ustanovuje množství konstrukčních, ale i právních podmínek. Ať už se jedná o způsob informování řidiče (rozsvícením kontrolky na přístrojové desce), tak i geometrického umístění daných svítilen na vozidle (viz obr. 1 a 2). (KOCIÁN, 2001)
Obr. 1 Montážní vzdálenosti pro přední světelné zařízení (ČERNÝ, 1995)
Obr. 2 Montážní vzdálenosti pro zadní světelné zařízení (ČERNÝ, 1995)
3.2.3 Předpisy pro automobily a jejich vybavení Jak již bylo zmíněno, problematiku předpisů pro automobily a jejich částí řeší komise EHK při OSN. Předpisy se nazývají „Jednotná ustanovení pro homologaci... (a následuje odborný název součásti či příslušenství)“. Ratifikace těchto dokumentů začala v roce 1958 (též jsou nazývány „Dohoda roku 58“). Jednotlivé předpisy ratifikovaly v drtivé většině všechny evropské státy a na některé přistoupily i mimoevropské státy např. Japonsko.
12
Mimo to existují i předpisy založené na Směrnicích Evropské unie (směrnice ES), které jsou ratifikovány členy Evropského společenství. Některé směrnice již byly upraveny pro převod na příslušný předpis EHK. Ve Spojených státech amerických je oblast osvětlení pro automobily řešena federálním zákonem „Federal motor vehicle safety standard“ (označovaní FMVSS 108), který se pro jednotlivé světelné funkce může odvolávat na normy Society of Automotive Engineers (SAE). Normy SAE mají ovšem jen doporučující charakter. V Japonsku jsou jednotlivé požadavky na automobilové příslušenství obsaženy v tzv. článcích (např. Article 41 – směrová světla, Article 32 – světlomety atd.). Jednotlivé články a paragrafy jsou každoročně vydávány Japonským centrem pro internacionalizaci automobilových norem (zkratka JASIC) v uceleném svazku. Pro svazek se vžilo označení „Modrá kniha“ kvůli barvě vazby. Oficiální název je „Automobile Type Approval Handbook for Japanese Certification“. Je nutné poznamenat, že Japonsko přistoupilo k procesu uznávání předpisů EHK. Další státy světa mají předpisy odvozeny z předpisů EHK (ze směrnic ES), např. Austrálie, Nový Zéland či Jihoafrická unie nebo z FMVSS 108, např. Kanada. 3.2.4 Vývoj předpisů pro automobilové osvětlení Vývoj v legislativní oblasti spočívá v harmonizaci stávajících a hlavně nově vzniklých předpisů pro všechny vyspělé státy světa. To má snížit vynaložené náklady na vývoj, výrobu a zkoušení výrobků. Výrobci světelné techniky musí své osvětlovací zařízení vyrábět v souladu jak s evropskými, tak i americkými normami. Normy řeší i podmínky pro instalaci či umístění jednotlivých funkcí na automobilu (EHK 48). (KOCIÁN, 2001)
3.3 Základy optiky Optika zkoumá světlo, zákonitosti jeho šíření a různé světelné jevy, které vznikající při vzájemném působení světla a látky. Optika se dělí na tři části: ▪ paprskovou (geometrickou) optiku, jejímž hlavním cílem je zkoumat zobrazení jednoduchými i složitými optickými soustavami. ▪ vlnovou optiku, která se zabývá světelnými jevy potvrzujícími vlnovou povahu světla. Mezi tyto jevy řadíme disperzi (rozklad), polarizaci, interferenci (skládání) a difrakci (ohyb) světla.
13
▪ kvantovou optiku, která vysvětluje jevy potvrzující kvantovou povahu světla. Tou se zabývat nebudeme. 3.3.1 Šíření světla, index lomu Hlavní charakteristikou světla je rychlost. Rychlost světla ve vakuu je známou fyzikální konstantou, která je rovna: c = 300 000 km.s-1, přesně c = 299 792 458 m.s-1 Pro vzduch je rychlost světla prakticky stejná jako pro vakuum, ale ve vodě se šíří světlo rychlostí kolem 225 000 km.s-1. Vlnová délka je vzdálenost, do které se vlnění rozšíří za dobu jedné periody. Vlnová délka λ, frekvence f, rychlost světla v jsou spolu svázány vztahem: [ m.s-1 ]
v=λ.f
kde:
(1)
v – rychlost světla [m.s-1] λ – vlnová délka [m] f – frekvence[Hz]
Jelikož se rychlost světla v látkách mění, změní se i jeho vlnová délka. Nemění se frekvence světla a při průchodu libovolným látkovým prostředím, a tak přechází-li tedy světlo z jedné látky do druhé, změní se jeho vlnová délka, ale ne frekvence. Nezmění se tedy ani barva světla, která je určena frekvencí. V životě pozorujeme světlo jedné frekvence jen výjimečně, je to tzv. monochromatické světlo. Většinou se setkáváme se světlem složeným z vlnění různých frekvencí. Mluví-li se o bílém světle, pak se myslí světlo složené z vlnění celého viditelného spektra (viz obr. 3). Bílé světlo rozložené hranolem (disperze) na jednotlivé barvy odpovídá frekvencím pozorovatelným lidským okem.
Obr. 3 Disperze bílého světla na jednotlivé barvy (KOPEČNÝ, 2008)
14
Světlo se šíří různými prostředími, která procházející světlo ovlivňují. Tato prostředí se nazývají optická prostředí a vykazují různé vlastnosti. Popíšeme si je na vlastnostech nejběžnějšího optického prostředí – skla: ▪ Čirým sklem světlo prochází beze změny (viz obr. 4)
Obr. 4 Průchod světla čirým sklem (KOPEČNÝ, 2008)
▪ Na barevné sklo dopadá bílé světlo, z něhož projde světlo jen určitých vlnových délek. Zbývající vlnové délky jsou prostředím pohlceny – dochází k absorpci světla (viz obr. 5)
Obr. 5 Průchod bílého světla barevným sklem (KOPEČNÝ, 2008)
▪ Matné sklo nahodile mění směr šíření světla. Jev označujeme jako rozptyl světla (viz obr. 6).
15
Obr. 6 Průchod světla přes matné sklo (KOPEČNÝ, 2008)
▪ Zrcadlo odráží světlo, hovoříme o odrazu světla (viz obr. 7)
Obr. 7 Odraz světla od zrcadla (KOPEČNÝ, 2008)
Světlo jako vlnění se šíří ze zdroje všemi směry ve vlnoplochách. Vlnoplocha je množina všech bodů prostředí, do kterých se vlnění rozšíří za stejný čas. V homogenním prostředí jsou vlnoplochami kulové plochy se středem ve zdroji. Podle Huygensova principu je každý bod této vlnoplochy zdrojem dalšího elementárního vlnění. Přímka kolmá na vlnoplochu udává směr, kterým se vlnění šíří a nazývá se světelný paprsek. Nejčastějším tvarem vlnoplochy je kulová plocha. Kulové vlnoplochy se šíří z bodového světelného zdroje. Kulová vlnoplocha se prakticky změní ve vlnoplochu rovinnou, jestliže světelný zdroj je pozorován z velké vzdálenosti. Na obr. 8 je vidět schematické znázornění rovinných řezů kulovými a rovinnými vlnoplochami.
16
Obr. 8 Kulová vlnoplocha, rovinná vlnoplocha (KOPEČNÝ, 2008)
3.3.2 Odraz a lom světla Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou optických prostředí o různých indexech lomu, pak část světla se odrazí a část projde (viz obr. 9). Na rozhraní dochází k odrazu a lomu.
Obr. 9 Odraz a lom světla na rozhraní dvou optických prostředích (KOPEČNÝ, 2008)
Světelný paprsek dopadá na rozhraní pod úhlem dopadu α. Úhly vždy měříme od kolmice dopadu k. Kolmice dopadu a dopadající paprsek leží v rovině, kterou nazýváme rovinou dopadu. Odražené světlo směřuje od rozhraní zpět pod úhlem odrazu α´. Úhel odrazu je roven úhlu dopadu, tj. α = α´. Lomený paprsek přechází do druhého prostředí pod úhlem lomu β. Pro úhel dopadu a úhel lomu platí zákon lomu světla (Snellův zákon): n1 . sin α = n2 . sin β , kde n1, n2 jsou indexy lomu prvního a druhého prostředí.
17
Při lomu světla mohou nastat dvě odlišné situace: ▪ Světlo se šíří z prostředí o menším indexu lomu n1 do prostředí o větším indexu lomu n2 > n1. Říkáme, že se světlo šíří z prostředí opticky řidšího (např. vzduch) do opticky hustšího (např. sklo). Pak podle Snellova zákona je úhel lomu β menší než úhel dopadu α. Nastal lom ke kolmici (viz obr. 10).
Obr. 10 Průchod světla z řidšího do hustšího prostředí (KOPEČNÝ, 2008)
▪ Světlo se šíří z prostředí o větším indexu lomu n1 do prostředí o menším indexu lomu n2 < n1. Pak se světlo šíří z prostředí opticky hustšího (např. sklo) do opticky řidšího (např. vzduch). Podle Snellova zákona je úhel lomu β větší než úhel dopadu α. Nastal lom od kolmice (viz obr. 11).
Obr. 11 Průchod světla z hustšího do řidšího prostředí (KOPEČNÝ, 2008)
Na obr. 11 je znázorněno chování lomeného paprsku. Jestliže postupně zvětšujeme úhel dopadu α, nastane nakonec situace, kdy lomený paprsek β se šíří těsně podél povrchu. Úhel lomu β je 90˚ ْpříslušný úhel dopadu nazýváme mezním úhlem αm (Brewsterovým úhlem). Všechny paprsky, které dopadají na prostředí opticky hustší pod úhlem větším než je mezní úhel, se odrážejí a dochází k úplnému odrazu. Na principu mezního úhlu je založena vláknová optika. 18
3.3.3 Optické zobrazení Optickými soustavami (zrcadlo, čočka, brýle, fotoaparát atp.) tvoříme obrazy předmětů.
Obr. 12 Průchod paprsku přes optickou soustavu S tvoří sbíhavý svazek (KOPEČNÝ, 2008)
V podstatě neděláme nic jiného, než těmito soustavami měníme směr chodu paprsků. V případě, že paprsky po výstupu z optické soustavy S tvoří sbíhavý svazek, vznikne v jejich průsečíku obraz skutečný (reálný). Tímto bodem skutečně procházejí paprsky a prochází jími světelná energie. Takovýto obraz můžeme pozorovat na promítací stěně, na papíře, neboli na tzv. stínítku. Například oko vidí obraz A´ předmětu A (viz obr. 12). Naopak, když paprsky po výstupu z optické soustavy S tvoří rozbíhavý svazek, vznikne v jejich zdánlivém průsečíku obraz neskutečný (virtuální). Takovýto obraz nezachytíme na promítací stěnu ani na papír. Samozřejmě pokud tento zdánlivý obraz dále zobrazíme jinou optickou soustavou (např. čočkou oka), lze jej pozorovat. Například oko vidí obraz A´ předmětu A (viz obr. 13).
Obr. 13 Průchod paprsku přes optickou soustavu S tvoří rozbíhavý svazek (KOPEČNÝ, 2008)
19
3.3.4 Zobrazení zrcadlem Zobrazení zrcadly je založeno na odrazu paprsků na rozhraní dvou materiálů. Dělící plocha bývá buď přirozeně lesklá (povrch skla), vyleštěná (drahokamy ve špercích, vyleštěné kovové povrchy), nebo opatřená odraznou vrstvou (pokovená). Nejjednodušší zobrazovací soustavou je rovinné zrcadlo. Chod paprsků vidíme na obrázku, (viz obr. 14). Paprsky například z horního (B) a dolního bodu (A) předmětu se odrážejí na zrcadle podle zákona odrazu. Pak vstupují do našeho oka a nám se zdá, jakoby vycházely z obrazu za zrcadlem (B´,A´). To je typický příklad zdánlivého obrazu. Je stejně velký jako předmět, vzpřímený, ale je stranově převrácený.
Obr. 14 Zobrazení na rovinném zrcadle (KOPEČNÝ, 2008)
U kulového zrcadla je odrážející plocha část plochy kulové. Střed této kulové plochy se označuje jako střed křivosti S zrcadla a jeho spojnice s vrcholem je optická osa zrcadla. Dopadají-li světelné paprsky dovnitř kulové plochy, hovoříme o dutém zrcadle, v opačném případě se jedná o zrcadlo vypuklé. Zobrazení kulovým zrcadlem již není tak jednoduché jako u zrcadla rovinného. Nejjednodušší je si zobrazit předmět pomocí tří význačných paprsků. Jedná se o: ▪ paprsek směřující rovnoběžně s optickou osou, který se odráží do ohniska F. (červený) ▪ paprsek procházející ohniskem se odráží rovnoběžně s optickou osou. (oranžový) ▪ paprsek procházející středem kulové plochy S se po odrazu vrací do středu křivosti. (žlutý) Použijeme-li těchto tří paprsků, můžeme zobrazit třeba vrchol předmětu A a dostaneme vrchol obrazu A´. Příklad použití těchto paprsků u zobrazení dutým a vypuklým zrcadlem je na obrázcích. (viz obr. 15 a 16)
20
Obr. 15 Zobrazení vrcholu předmětu u dutého zrcadla (KOPEČNÝ, 2008)
Obr. 16 Zobrazení vrcholu předmětu u vypuklého zrcadla (KOPEČNÝ, 2008)
3.3.5 Zobrazení čočkou Zobrazení čočkou, na rozdíl od zobrazení zrcadlem, je založeno na Snellově zákonu lomu. Při vyšetřování průchodu světla čočkou musíme však použít tento zákon dvakrát. Světelný paprsek prochází nejdříve prvním rozhraním, na kterém se láme do materiálu čočky. Při výstupu z čočky se pak láme na druhém rozhraní. Podobně jako u zrcadla je důležitá optická osa, která prochází optickým středem čočky O. Prostor před čočkou, ze kterého dopadá světlo na čočku a ve kterém umísťujeme předmět velikosti y, označujeme jako předmětový prostor. Prostor, do kterého světlo po průchodu čočkou vstupuje, se nazývá obrazový prostor. (viz obr. 17)
21
Obr. 17 Zobrazení předmětu čočkou z předmětového do obrazového prostoru (KOPEČNÝ, 2008)
Také u čoček používáme pojem ohnisko F. Zde však musíme rozlišovat dvě ohniska. Obrazové ohnisko F´ je bod na optické ose, do kterého se po průchodu čočkou lámou paprsky dopadající na čočku rovnoběžně s optickou osou. Vzdálenost obrazového ohniska od optického středu čočky je obrazová ohnisková vzdálenost f´ (viz obr. 18).
Obr. 18 Zobrazení obrazové ohniskové vzdálenosti (KOPEČNÝ, 2008)
Předmětové ohnisko F opět leží na optické ose. Paprsky, které jím procházejí se po lomu čočkou šíří rovnoběžně s optickou osou. Vzdálenost předmětového ohniska od optického středu čočky je pak předmětová ohnisková vzdálenost f (viz obr. 19). (KOPEČNÝ, 2008)
22
Obr. 19 Zobrazení předmětového ohniskové vzdálenosti (KOPEČNÝ, 2008)
23
4
SVĚTELNÁ TECHNIKA V přírodě je světlo považováno za nepostradatelné. Působí na rostliny, živočichy,
kteří se mu od nepaměti přizpůsobují. Rovněž i člověk je odkázán na světlo, bez kterého by nemohl existovat. Vlivem rotace naší planety kolem své osy a oběžné dráhy, po které se planeta pohybuje kolem Slunce, se střídají světelné podmínky během celého roku. Bylo nutné se s těmito podmínkami vypořádat, což konkrétně v minulosti znamenalo pro automobilový průmysl vybavit vozidla světelnou technikou, která umožňuje bezpečné použití vozidla za zhoršených viditelných podmínek, např. v noci či v mlze.
4.1 Historie Za první počátek „světelné techniky“ lze považovat svíčky v lucernách na kočárech koňského spřežení. Ty měly význam spíše informativní nebo spíš měly zvýraznit obrys povozu. Za řádný počátek vývoje světelné techniky lze považovat rok 1896, kdy byly automobily dovybaveny acetylenovými nebo olejovými hlavními světlomety. Acetylenové lampy byly populárnější, neboť jejich plamen lépe odolával dešti a větru. V roce 1913 je uveden firmou Bosch a jejím zakladatel Robertem Boschem první úspěšný elektrický světlomet. Byl tvořen osmiwattovým dynamem, které dávalo napětí pro nabíjení akumulátoru o velikosti 4 V, což stačilo k napájení jednoho předního světla a zadní svítilny. Přední světlo s hladkým čirým krycím sklem vyzařovalo do dálky pouze světelný kužel, čímž se docílilo toho, že světlomet neosvětloval komunikaci před sebou. Přelomový rok byl 1924, kdy byl vynalezen systém přepínání mezi tlumeným (klopeným, potkávacím) a dálkovým světlem. Systém nesl označení Bilux. Další pokroky ve vývoji byly zaznamenány v roce 1962, kdy byla v Evropě uvedena do prodeje halogenová žárovka pro osobní automobily. Poté až v roce 1991 automobilka BMW představila první xenonové světlomety, zatím pouze s jednoduchou výbojkou a v roce 1999 bi-xenonové světlomety, kdy tlumená i dálková světla obstarává xenonová výbojka. Nejnovější hlavní světlomet tvořený LED diodami, byl představen v roce 2007. (SAJDL, 2011)
24
4.2 Světelné zdroje V této části práce se budu zabývat světelnými zdroji, které slouží pro vnější osvětlení automobilů a neslouží pro osvěcování vnitřních prostorů vozidel. Nejedná se tedy o zářivky, nízkotlaké výbojky, elektroluminiscenční zdroje, kapalné krystaly LCD, OLED, které jsou spíše považovány za zobrazovače. 4.2.1 Žárovky 4.2.1.1 Konvenční žárovka Žárovky jsou namáhány značně nepříznivými vlivy především kolísajícím napájecím napětím či silnými otřesy. Také si lze rychle domyslet vlastnosti, které nás napadnou po krátké chvíli. Je to malá světelná účinnost, okamžitá provozuschopnost po zapnutí. Dále by šlo uvažovat o dobré možnosti konstrukce vhodné pro velikost napětí používaného u motorových vozidel. Šroubovice je rovná nebo má tvar oblouku, případně je ve tvaru písmene V. Počet vláken v žárovce je jedno nebo dvě. U obyčejných dvouvláknových žárovek se pro dálkové světlo používá vlákno ve tvaru oblouku nebo písmene V. Pro tlumené světlo se používá vlákno rovné. Umístění vláken je závislé na druhu odrazové plochy. Omezení světelné účinnosti žárovek se především váže na materiály vlákna, které je téměř výhradně vyráběno z wolframu, ten má bod tání 3410 °C. Provozní teplota vlákna musí být nižší, přičemž čím se více bude blížit bodu tání, tím se bude zkracovat životnost žárovky díky zvyšujícímu se odpařování wolframu z povrchu vlákna. V žárovce se může v důsledku nestejnorodosti materiálu vždy vyskytnout místo s o něco vyšší povrchovou teplotou. V takovém to místě dojde větší měrou k odpařování a tím k zmenšení průřezu vlákna. Cyklus se zrychluje až do doby, kdy dojde k přetavení nebo mechanickému poškození vlákna a tím de facto ukončení životnosti žárovky. (LAZO.CZECHIAN.NET, 2004)
Obr. 20 Konvenční žárovka (KUBÁT, a další, 2003) 1 - skleněná baňka, 2 - wolframové vlákno, 3 - nosný systém vlákna, 4 – patice,
25
▪ Rozsah parametrů žárovek: - jmenovité napětí: 6÷24 V - jmenovitý příkon: 2÷75 W - světelný tok: 20÷2150 lm Žárovky vozidel jsou plněny netečným plynem, většinou se jedná o směs dusíku a argonu, která částečně zpomaluje emisi materiálu vlákna, respektive popsaný cyklus, který vzniká při vysokých teplotách. Patice žárovek Patice musí zajišťovat mechanicky spolehlivé uchycení, aby nedocházelo otřesy ke změně polohy vzhledem k optickému systému. Dále je třeba zajistit snadnou vyměnitelnost se zabezpečením proti nevhodné montáži. Tvar patic je normalizován a přiřazen jednotlivým druhům žárovek. Bajonetová patice Bajonetová patice patří mezi nejčastější a je přitmelena k baňce. Na zadní části jsou umístěny kontakty (jeden nebo dva), jedná-li se o žárovku jednovláknovou nebo dvouvláknovou. Ukostření se zajišťuje samotnou paticí. Poloha žárovky v objímce je zajištěna aretačními výstupky. Žárovky s bajonetovou paticí se obvykle používají jako signalizační, u nichž není přesné dodržení polohy vzhledem k optickému systému rozhodující. Přírubová patice Je patice používaná zejména pro hlavní světlomety, protože umožňují jednoznačnou a přesnou polohu žárovky vzhledem k optickému systému. Patice je opatřena přírubou, která je pevně spojena se součástí patice. Na přírubě jsou obvykle tři aretační výstupky, které zajišťují správnou montáž. Aretační výstupky jsou umístěny nepravidelně. Jeden z výstupků, zpravidla horní výstupek je širší. Žárovky mohou být opět jednovláknové i dvouvláknové. Sulfidová patice Způsob montáže žárovky je zasunutí mezi dva pružné kontakty. U těchto patic nejsou žádné aretační výstupky. Slouží většinou pro osvětlení např. vnitřních prostorů karoserie.
26
Bezpaticové žárovky Využívají se často pro osvětlení a signalizaci, kde na polohu žárovky nejsou kladeny příliš přísné požadavky. Funkci patice zde zastávají vodiče zatavené přímo do skla. (KUBÁT, a další, 2003)
Obr. 21 Typy žárovek pro motorová vozidla (VLK, 2006) A – halogenová žárovka do hlavního světlometu, B – klasická (vakuová) dvouvláknová žárovka do hlavního světlometu, C – žárovka do směrového světla, pro koncové a brzdové světlo, D, E – žárovka pro osvětlení přístrojů a pro výstražné a kontrolní svítilny
Žárovky 5-10 W jsou určeny pro funkci obrysových světel do hlavního světlometu. Výkon 21W se dává do směrových a brzdových světlometů, případně se provádí sdružování s 5W vláknem pro funkci obrysového světla. Žárovka Bilux byla prvním světelným zdrojem se dvěma vlákny, což umožňovalo přepínat klopené a dálkové světlo v jednom reflektoru. Jednalo se o výrobek německé firmy OSRAM. Můžeme ji pokládat za předchůdkyni halogenové žárovky. Dnes se s ní setkáme u motocyklů do 350 ccm, u veteránů a malé zahradní mechanizace (zahradní traktory atd.). Neliší se od klasických žárovek, ve kterých také dochází k odpařování wolframového vlákna na stěny baňky. Účinnost těchto žárovek se pohybuje okolo 600 lm. (viz obr. 22)
Obr. 22 Biluxová žárovka typ R2 (OSRAM, 2012)
27
4.2.1.2 Halogenová žárovka U halogenových žárovek, u nichž je šroubovice kompaktnější, se používají rovné šroubovice buď v ose, nebo kolmo k ose žárovky. Jedná se o využití již dříve známé fyzikálně chemické reakce. Přidáním nepatrného množství halogenové příměsi (prvkem je nejčastěji brom) do náplně žárovky a současně s použitím nových teplotně odolných materiálů např. baňky, což je čirý tavený křemen, dochází při chodu k tzv. halogenovému nebo nazývaného také regeneračnímu cyklu, který je popsaný níže. (LAZO.CZECHIAN.NET, 2004)
Obr. 23 Halogenový cyklus (KUBÁT, a další, 2003)
V zóně I se z wolframového vlákna rozžhaveného na 3200 °C uvolňují atomy wolframu, které se v zóně II při teplotě 1400 °C slučují s volně se pohybujícími atomy bromu na bromid wolframu. Bromid wolframu se pohybuje k rozžhavenému vláknu, kde se rozpadá na brom a wolfram, který se usazuje na vláknu. Tím je halogenový cyklus uzavřen. V zóně III se při teplotě nad 500 °C rozpadá methylenbromid. Díly žárovky, které leží v chladné zóně III, jsou chráněny neagresivním bromovodíkem a nejsou tedy chemicky napadány. Teoreticky by mělo mít vlákno v tomto cyklu neomezenou dobu života. Ve skutečnosti se však wolfram nevrací na každé místo v množství, v jakém se z tohoto místa odpařil. Přesto je doba života halogenových žárovek dvojnásobná a při stejném příkonu se dosahuje až dvojnásobku světelného toku. Halogenová žárovka má ve srovnání s běžnou žárovkou menší baňku, aby se uvnitř dosáhlo požadované teploty. (KUBÁT, a další, 2003)
28
Obr. 24 Halogenová žárovka H4 (KUBÁT, a další, 2003) 1 – skleněná banka žárovky; 2 – vlákno tlumeného světla s krytkou; 3 – vlákno žárovky; 4 – držák žárovky; 5 – elektrické připojení (konektor)
Při instalaci žárovky je potřeba zachovat čistotu skla. Mastnota má zásadní vliv na poškození struktury křemíkového skla a následné explozi žárovky. Zásadní vlastností halogenových žárovek je konstantní světelný tok během celého provozu, a to za hranicí 1000 lm žárovky, zvýšení měrného výkonu, zvýšení barevné teploty vyzařovaného světla a zmenšení jejího rozměru. Žárovka H4 disponuje cca 1000 lm pro tlumené a 1600 lm pro dálkové světlo. Další veličinou pro dosažení optimální doby provozu je velikost pracovního napětí. Už malý pokles zapříčiní výrazné poklesnutí svítivosti, naopak větší napětí radikálně snižuje životnost např. při jmenovitém napětí 95 % je životnost 210 % a při jmenovitém napětí 105 % je životnost 28 %. Častou příčinou destrukce žárovky bývá též únavový lom vlákna. (BROŽ, 2009) Druhy nejpoužívanějších halogenových žárovek a jejich použití H1-pro dálkové světlomety v moderních světlometech H3-užívaná v mlhových světlometech H4-dvouvláknová žárovka pro tlumené i dálkové světlo hlavního světlometu především užívaná u starších a nižších kategorií vozidel H7-pro tlumené světlo v moderních dělených světlometech Speciálně upravené halogenové žárovky vyvinuté firmou Philips, které mají stejně jako xenonové výbojky světlo bílé barvy, které je podobné dennímu, jsou ovšem výrazně levnější. Označují se Bluevision. Podobné žárovky, pod názvem Cool Blue
29
vyrábí také firma Osram. Další možností, jak lze změnit barvu světla vyzařovaného ze zdroje, je použití nástavců. Řešení není vhodné, protože vede ke snížení světelného toku zhruba o 40 % u tlumeného světla a asi o 60 % u dálkového světla. (KUBÁT, a další, 2003) 4.2.1.3 Xenonová výbojka Halogenidové výbojky patří mezi vysokotlaké světelné zdroje. Tlak v baňce za studena je asi 0,7 MPa, pracovní tlak až 7 MPa. Z tohoto důvodu je nutná opatrnost při práci s tímto světelným systémem. Světlo vzniká převážně zářením par kovů (např. rtuti), popř. vzácných plynů (např. xenonu) a produktů štěpení halogenidů. Světlo se vytváří mezi dvěma wolframovými elektrodami vzdálených od sebe 4,2 mm. V oblasti místa vzniku elektrického výboje má baňka zhruba velikost hrášku. Výboj je vytvořen vysokonapěťovým (cca 24 000 V) impulzem ze startovacího modulu. Ten s řídící jednotkou tvoří příslušenství každé xenonové výbojky.
Obr. 25 Xenonová výbojka (SAJDL, 2011)
Výboj nejdříve probíhá v parách xenonu. S postupným nárůstem teploty se zvyšuje koncentrace halogenidů ve výboji. Teplotní režim výbojky se ustálí během několika sekund. Při pracovní teplotě hořáku (cca 700 °C) se v oblasti jeho osy halogenidy štěpí na atomy halogenu a atomy příslušného kovu, které se vybudí a září. Současně se vytváří gradient koncentrace těchto atomů v radiálním směru, které následně difundují ke stěnám hořáku s nižší teplotou, kde se opět slučují na původní sloučeniny. Vzniká tak uzavřený cyklus, jehož existence je základním a nezbytným předpokladem
30
vytvoření účinného světelného zdroje s požadovaným spektrálním složením záření a životností. Dnešní trend postupuje směrem přísné ochrany životního prostředí. To je důvod náhrady rtuti jiným, přijatelnějším materiálem. Velmi podobné vlastnosti zaručuje sloučenina Znl2. Navzdory nutnosti zvýšit tlak xenonové náplně, klesla hodnota udržovacího napětí výboje na polovinu (45V oproti 85V u rtuťové náplně). Světelný tok se svými 3000 lm výrazně předčí ostatní světelné zdroje. I proto se dnes můžeme setkat se stále větším rozšiřováním do všech tříd vozidel. Světelný tok je potřeba vhodně rozložit do světelného kužele před vozidlo. Díky tomu se xenonové výbojky nacházejí ve složitých projektorových světlometech s několika funkcemi.
Obr. 26 Detail xenonové výbojky (ISAL Organization Office, 2007)
Aby byla zajištěna správná funkce výbojky, musí být splněny důležité podmínky a to: -
udržovat konstantní napětí 85V při 400Hz
-
dodržet horizontální umístění při provozu, jinak může dojít k přehřátí výbojky a následnému zničení
-
čistota skleněné baňky
Druhy nejpoužívanějších xenonových výbojek a jejich použití D1/D2 – obsahují částice rtuti (cca 0,5mg), pracují s napětím 85 V, D3/D4 -výbojka neobsahující prvky rtuti, S – je označení pro projekční systémy R – je označení pro čistě odrazové (reflexní) plochy Xenonové výbojka vytváří až dvojnásobné množství světla v porovnání s halogenovou žárovkou (viz obr. 27).
31
Obr. 27 Životností a světelného toku halogenové žárovky a xenonové výbojky (ŠKODA AUTO, a. s., 2012)
Barevná teplota xenonových výbojek je vyšší než halogenových žárovek a přibližuje se barevné teplotě denního světla (viz obr. 28). Vozovka osvětlená takovým světlem méně namáhá zrak řidiče a přispívá k lepší koncentraci.
Obr. 28 Škála barevné teploty světla (ŠKODA AUTO, a. s., 2012)
Xenonové výbojky potřebují ke své správné funkci podpůrné systémy, jako je elektronická řídicí jednotka a startér. Předpisy pro xenonové světlomety stanovují, že vůz musí být vybaven automatickým nastavováním sklonu světlometů a ostřikovačem. Xenonové světlomety jsou vlastně kombinací xenonové výbojky a halogenové žárovky. Klasické xenonové světlomety jsou pouze jako potkávací světla, dálková světla obstarává klasická halogenová žárovka. Pokud jsou i dálková světla tvořena xenonovou výbojkou, hovoříme o tzv. bixenonových světlometech. (SAJDL, 2011)
32
Nedílnou součástí jednotky jsou ovládací systémy, které chrání obvod proti přetížení, při větší hodnotě proudu jak je jmenovité (20 mA) se systém vypíná. Pro získání vysokonapěťového impulsu potřebného pro zapálení výbojky je použit měnič palubního napětí. (viz obr. 29).
Obr. 29 Blokové schéma řídící elektroniky pro výbojkové světlomety (KUBÁT, a další, 2003)
Bixenonové výbojky Využívají se pro tlumená i dálková světla, jako zdroj májí jednu společnou plynovou výbojku. Přepínání mezi tlumeným a dálkovým světlem zařizují clonky pohybující se v ose světelného paprsku. Výhodou bixenonových světlometů je mimořádně široký světelný paprsek, dobře osvětlující vozovku i po stranách (v režimu tlumených i dálkových světel) a barva vyzařovaného světla, která se velmi podobá dennímu světlu. Díky tomu se oči řidiče dokážou rychle a bez problémů přizpůsobovat měnícím se světelným podmínkám. (Kubát, Ždánský) 4.2.2 LED diody V posledních několika letech se LED diody staly neodmyslitelnou součástí světlometu. Mezi 80. a 90. léty dvacátého století se výzkum zaměřil na řešení tří hlavních problémů LED diod. Jednalo se o podstatné zvýšení účinnosti, zvýšení světelného toku červené, vývoj zelené, žluté, modré a bílé LED diody. Průkopníkem byl koncern Volkswagen a poté ho následoval zbytek německého automobilového průmyslu. Poprvé se objevily ve třetím brzdovém světle a na začátku třetího tisíciletí už byla LED technologií vybavena celá zadní svítilna. (ISAL Organization Office, 2007)
33
LED diody disponují ještě jednou nespornou výhodou, a to že se jejich náběh do plného světelného výkonu počítá v jednotkách milisekund. Standardní žárovka potřebuje přibližně 200 ms oproti 3 ms u LED. (CHRENŠČ, V., 2007) LED dioda je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, může emitovat i jiné druhy záření, např. ultrafialové, nebo infračervené. Tento jev je způsoben elektroluminiscencí. Vlastnosti a výhody LED diod: ▪
nízké tepelné ztráty
▪
definovaný úhel světelného svazku
▪
pokrytí celého barevného spektra
▪ téměř monochromatický světelný zdroj, přímá produkce barevného světla bez použití filtrů způsobujících ztráty světelného toku ▪
napájení bezpečným napětím (SELV)
▪
vysoká účinnost
▪ podstatně menší než konvenční světelné zdroje (např. Smart LED je menší než 0,1 mm) ▪
větší počet možných typů
▪
dlouhý život až 100 tisíc hodin při dodržení provozních podmínek
▪
nízká spotřeba energie
▪
plynule nastavitelné stmívání
▪
vysoká odolnost proti otřesům a vibracím. (KRULIŠ, L. 2006)
Po připojení diody na stejnosměrné napětí se v aktivní vrstvě generuje světlo, je vyzařováno přímo nebo odrazem. Existuje LED dioda vyzařující pouze světlo určité barvy v závislosti na užitých materiálech i LED diody, vyzařující všechny barvy (nazývané RGB). Pro ně se užívají dva výrobní systémy (AlInGaP a InGaN). Jednotlivé barvy se mění v závislosti na dodaném napětí. LED diody vyrábí mnoho výrobců, vyskytujících se na poli světelné techniky. Na obr. 31 je několik základních typů diod a jejich umístění na vozidle. Z obrázku je patrné, že převládají typy SMD čipů nad klasickým tvarem a uspořádáním diod.
34
Obr. 30 LED dioda (ISAL Organization Office, 2007)
Obr. 31 Přehled LED diod od předních výrobců (ISAL Organization Office, 2007)
4.3 Světlomety Světlomety jsou osvětlovací tělesa upravená takovým způsobem, aby světlo usměrnila do vhodného světelného kužele a osvětlovala předměty do určité vzdálenosti. Rozložení světla ve světelném kuželi se řídí tvarem a polohou zdroje světla, tj. svítícího vlákna, vzhledem k ose a ohnisku zrcadla, clonami a tvarováním krycího skla, jímž světlo ze světlometu vychází. Jakost světlometů závisí na provedení jednotlivých částí např. paraboly, umístění vlákna, provedení krycího skla a na optickém seřízení celku. Nelze opomenout vliv použitých materiálů a technologií výroby. Po mechanické stránce mají být světlomety upraveny tak, aby je bylo možno nastavit do požadovaného směru a musí být spolehlivě upevněny tak, aby se jejich poloha samovolně neměnila. Musí být vodotěsné a prachotěsné, aby vnitřní opticky činné plochy byly chráněny před znečištěním.
35
Pro vývoj se používá specifický software jako např. CATIA V5, UNIGRAPHICS, Pro/engineer, ICEM Surf, Solid Works a další. Rovněž je mnoho firem zabývajících se vývojem a výrobou světelného zařízení např. HELLA, DEPO, TYC, VISTEON, VALEO, KOITO, Samlimp, Automotive Lightning a další. 4.3.1 Vývoj, konstrukce Jako první krok při vývoji světlometu je nabídka pro zákazníka, která vychází z dat vytvořených pomocí reverzního inženýrství, nebo z návrhů designera. Je zhotoven velmi hrubý tvar světlometu s požadovaným vybavením a zadaným zástavbovým prostorem. V konstrukčních pracích rozhoduje vyrobitelnost jednotlivých komponentů, zvláště designových dílů V dalším kroku se vytvářejí jednotlivé díly světlometu a vzájemně se přizpůsobují prostorové tvary tak, aby vytvořily předepsané parametry. Po zhotovení několika prototypů a po výběru finálního výrobku zákazníkem se může pokračovat ve vývoji a výrobě, kdy probíhají poslední menší změny na světlometu. Jedná se o změnu tvarů, úpravy úkosů a zaoblení hran a přizpůsobení jednotlivých výrobních technologií. Schválením a odsouhlasením zákazníkem, kdy zákazník dle svého zadání dostane výrobek s potřebnými informacemi a vyhodnocenými protokoly o testování v měřících technických zařízeních, které vyhovují, začíná výrobní proces (viz příloha 1 a 2) a vývoj samotného světlometu je ukončen. Všechny části modelu, všechna dokumentace světlometu se ve finálním stavu předávají jako ucelené objemové těleso. Prvky světlometu jsou: ▪ reflektory a optické plochy - jsou vyráběny z plastu s minimální smrštivostí, veškeré deformace při chladnutí plastu by znehodnotilo kvalitu odrazových ploch, zrcadlové plochy jsou pokoveny ve vakuu ▪ krycí rámeček - slouží pro dotváření designu mezi sklem a reflektory ▪ sklo - je vyrobeno z čirého plastu polykarbonátu, u mlhových světel se z důvodu možnosti vyššího mechanického poškození používá místo polykarbonátu sklo Jednotlivé části světlometu můžeme rozdělit dle povahy na: ▪ designové díly: sklo, reflektor, ozdobné rámečky a tubusy (tyto části se konstruují s ohledem na optickou kvalitu)
36
▪ nosné díly: pouzdro, pomocné díly (konstruují se bez ohledu na optickou kvalitu) ▪ nakupované díly: šrouby, elektronické prvky, ozubené převody 4.3.2 Hlavní světlomet Optické vložky světlometu jsou konstruované pomocí počítačové technologie. Světlomety současných vozidel mají tzv. čirou optiku. Jsou opatřeny čirými „skly“ z materiálu PC (polykarbonát), který nemá rýhování. Je rozdělen na komory a rozptyl světla zajišťuje tvar reflexních ploch, které jsou samostatné pro světla potkávací, dálková, obrysová i integrovaná směrová světla. Při zapnutí světel dálkových svítí i světla potkávací. Tím je dosaženo lepšího osvětlení vozovky a zlepšení bezpečnosti jízdy. Světlomety mají ovládací zařízení, kterým je možné plynule přizpůsobovat jejich sklon podle zatížení vozu. Dálkové světlo je usměrňováno do kužele s menším sklonem, aby mělo co největší plochu a vykrývalo slepé prostory. Tlumené světlo před průchodem sklem se záměrně rozptyluje tak, aby mělo širší a plošší záběr a aby byly skloněné více k vozovce.
Obr. 32 Dálkové světlo, tlumené světlo (VLK, 2005) 1 – vlákno pro tlumené světlo, 2 – krytka, 3 – spirála pro dálkové světlo v ohnisku
Reflektor Je to optická citlivá plocha, velmi přesně tvarovaná součást s pokoveným povrchem. Reflektoru se pokud možno nedotýkáme a v případě nutnosti ho čistíme pouze čistým jemným hadříkem. Reflektor bývá často pevně spojen s pouzdrem, takže tyto součásti tvoří jeden celek a nejdou od sebe oddělit.
37
Obr. 33 Reflektor světlometu vytváří paralelní světelné paprsky (VLK, 2005) 1 – žárovka, 2 – reflektor
Odrazová plocha reflektoru se původně dělala z ocelového plechu. Nyní jsou však tvary odrazových ploch tak složité, že ve většině případů se používají reaktoplasty. Světelná účinnost závisí nejen na tvaru odrazové optické plochy, ale také na jejím povrchu, který musí být hladký, trvanlivý, s malou pohltivostí a musí dobře odrážet světelné paprsky. Dříve užívané postříbřené a leštěné odrazové plochy jsou dnes nahrazovány plochami s hliníkovou vrstvou vytvořenou vakuovým napařováním, na kterou je nanesen ochranný lakový nebo křemenný povlak. U některých odrazových ploch nelze dosáhnout vhodného rozložení světla jen úpravou tvaru odrazové plochy či umístěním světelného zdroje. Tento problém vyřeší tvarované krycí sklo, které světelné paprsky usměrní podle potřeby. Sklo musí být čiré, bez kazů a s vysokou optickou propustností. Krycí skla jsou vyráběna z mechanicky a tepelně vysoce odolných plastů a požadovanými optickými vlastnostmi. U moderních odrazových ploch je možno dosáhnout toho, že světelný tok je zcela upraven již samotnou odrazovou plochou a krycí sklo může být hladké, bez optických elementů. V tomto případě může být krycí sklo nakloněno od svislé roviny o velký úhel. Krycí sklo nám dále chrání vnitřní prostory světlometu před nečistotami a mechanickým poškozením. Utěsnění prostoru světlometu se docílí vloženým těsněním mezi krycí sklo a pouzdro nebo se použije lepidlo a části se spolu pevně spojí, což je sice nákladnější, ale z hlediska prachotěsnosti i vodotěsnosti mnohem odolnější. Pouzdro je nosná část celého světlometu, musí zajistit pevné a neměnné spojení dílčích částí světlometu i při extrémním provozu vozidla. Toto upevnění musí být spolehlivé a trvalé.
38
4.3.3 Současné světlomety 4.3.3.1 Parabolické světlomety Odrazová plocha je tvořena částí rotačního paraboloidu, který vznikne rotací paraboly kolem její osy. Rotační paraboloid má jedno ohnisko a jeho plocha je rozhodující pro průběh světelného toku. Odrazové plochy s malou ohniskovou vzdáleností vytváří homogenní osvětlení před vozidlem, plochy s velkou ohniskovou vzdáleností vytváří větší dosah světla. Pokud je zdroj světla umístěn v ohnisku, odráží se světelné paprsky od plochy rovnoběžně s osou paraboloidu (dálková světla), je-li zdroj světla před ohniskem, odráží se světelné paprsky směrem k ose (tlumená světla). Kromě odražených paprsků vystupují i přímé paprsky vytvářející tzv. rozptylový kužel světla. (KUBÁT, a další, 2003)
Obr. 34 Schéma parabolického světlometu (BROŽ, J., a další, 2009)
4.3.3.2 Elipsoidní (projekční) světlomety
Obr. 35 Odrazová plocha DE (KUBÁT, a další, 2003)
Elipsoidní světlomet má podle svého názvu tvar plochy reflektoru elipsoidní. Tento tvar umožňuje konstruovat světlomety o malých rozměrech s vysokým světelným výkonem. Světlomety pracují na podobném principu jako projekční zařízení, a proto se můžeme setkat s označením projekční světlomety.
39
Hlavní rozdíl spočívá v rozptylu světla, který není vykonáván rozptylovým sklem, ale čočkou. Ta přenáší světlo na vozovku. Hrana clony je důležitá pro vytváření hranice světla a tmy u tlumeného světla. Čočka funguje jako objektiv. Projekční světlomety jsou výhodné pro tlumená světla a světla do mlhy vlivem vytvoření ostré hranice světla a tmy. (KUBÁT, a další, 2003) Firma Hella v roce 1983 uvedla projekční světlomet, označený jako DE, který se poprvé použil v roce 1986 na vozidle BMW řady 7.
Obr. 36 Princip zobrazovací optiky projekčního světlometu (objektiv = čočka) (ČUPERA, 2011)
Druhy projekčních světelných systémů: DE (Dreiachsig Elipsoid) DE světlomety se osazují halogenovým a xenonovým zdrojem světla. S xenonovým zdrojem zastává funkci tlumeného i dálkového světla. Systém má pevně umístěnou clonu, která určuje rozvržení světelného toku před vozidlem. Nejpoužívanější konstrukce je s průměrem 63 a 70 mm.
HID (High Intensity Discharge) HID (vysoce intenzivní propouštění) se používá pro označení xenonových světlometů v USA, Japonsku a v anglicky psaných publikacích. Není žádný rozdíl mezi HID a DE, popř. Super DE. 4.3.3.3 Světlomety s volnou odrazovou plochou (FreeFlat) Májí plochu reflektoru vytvořenou na základě konceptu free – from /Frei Flächen. Jde o rozvržení na části za pomoci výpočetní techniky. Jednotlivé dílčí segmenty (fazety) osvětlují přesně danou oblast vozovky. Tímto způsobem se může pro tlumené
40
světlo využít téměř všechny části odrazové plochy. Dálkové světlo je řešeno zvlášť dalším
reflektorem. Pro snížení únavy řidiče při jízdě v noci jsou tlumená světla zapojena nepřetížitelně. Dálková se podle potřeby připojují. Tím nedochází k tak výraznému světelnému skoku. Vytvoření požadovaného světelného toku provádí přímo odrazová plocha, proto se může použít hladké krycí sklo bez optických elementů. (KUBÁT, a další, 2003)
Obr. 37 Odraz světla na vozovku (KUBÁT, a další, 2003)
4.3.3.4 Kombinované světlomety Jedná se o kombinaci elipsoidního světlometu a světlometu s volnou plochou. Reflektor je navržen metodou volných ploch. Reflektor tak zachycuje nejvíce světla od zdroje. Toto zachycené světlo směřuje přes clonu na čočku (objektiv). Světlo je reflektorem směřováno tak, že ve výšce clony vzniká rozdělení světla, které čočka promítá na vozovku.
Díky vyspělejší optice mají tyto světlomety delší světelný dosah. (KUBÁT, a další, 2003)
Pro kombinovaný osvětlovací systém existují dva názvy: ▪ PES (polyelypsoid systém) - od firmy BOSCH z roku 1986 je to základní model, z kterého vznikly PES Plus a PES Plus s kruhovým sektorem ▪ PES Plus -využívá i spodní část reflektoru, je intenzivnější rozložení světelného paprsku na vozovce ▪ PES Plus s kruhovým sektorem - poslední modifikace, která zapříčinila menší míru oslnění navzdory dalšímu zvýšení světelného toku
41
Obr. 38 Osvětlovací systém PES (Portmanns, 2005) a) PES b) PES Plus c) PES Plus s kruhovým sektorem
Poslední vylepšení v oblasti PES světlometů se týká speciální čočky s difrakčním optickým elementem (DOE). Ten napomáhá k vytvoření ostřejšího rozhraní světla a stínu. 4.3.4 Moderní světlomety 4.3.4.1 Systém světlometů „Litronic“ (Light-Electronics) U soudobých vozidel se kladou požadavky na kompaktní světlomety. Systém světlometů „Litronic“ s xenonovou výbojkou tyto požadavky splňuje jak konstrukcí, tak i druhem světla a jeho intenzitou. Ve srovnání s halogenovým zdrojem světla je vozovka lépe osvětlena a životnost výbojek je přibližně 1500 hodin. To je dostačující celkový potřebný provozní čas pro průměrné osobní vozidlo. Nedochází k náhlým výpadkům jako u žárovek s vláknem, je možná jejich diagnóza a včasná výměna. Systém „Litronic“ je složen z optické jednotky s výbojkou, elektronického předřadného přístroje se zápalným systémem a řídící jednotkou. Systém „Litronic“ má ve srovnání s halogenovým světlometem vyšší světelný tok se specificky přizpůsobeným rozdělením svítivosti, jsou lépe osvětleny okraje vozovky, při snížené viditelnosti nedochází ke ztrátě orientace. Systém se vždy povinně kombinuje s automatickou regulací vertikálního sklonu světlometů a čistícím zařízením, které se
42
postarají o optimální využití dalekého světelného dosvitu a o opticky bezchybný světelný výstup. Jako zdroj světla se používá xenonová výbojka. Elektronický předřadný přístroj se používá pro zapálení, pro provoz a ke kontrole výbojkové lampy. Je složen ze zápalného zařízení, které dodává napětí potřebné k zapálení výbojky a elektronické řídící jednotky, která řídí dodávky proudu v náběhové fázi a ve stacionárním provozu seřídí hodnoty na výkon 35 W. Po zapálení je nutné několik vteřin přivádět vyšší proud pro dosažení provozního stavu s plným světelným výkonem. Řídící jednotka vyrovnává kolísání palubního napětí. Vlivem toho nevznikají změny světelného toku. Pokud dojde k náhlému poklesu napětí v palubní síti a ke zhasnutí výbojky, automaticky se zapálí znovu. Při závadě lampy se přeruší elektronický předřadný přístroj napájení proudem a zabezpečí ochranu proti nebezpečnému dotyku. Světlomety s výbojkami se používají pro tlumená světla v tzv. čtyřreflektorovém systému v kombinaci s klasickými dálkovými reflektory klasické konstrukce. (VLK, 2005)
Obr. 39 Systém Litronic v projekčním světlometu (ČUPERA, 2011) 1 - čočka, 2 – výbojka, 3 – konektor, 4 – zapalovací zařízení, 5 – řídící jednotka
Obr. 40 Čtyřreflektorový systém Litronic(ČUPERA, 2011) 1 – palubní napětí, 2 – elektronická řídící jednotka, 3 – zapalovací zařízení s přípojkou pro výbojku, 4 – reflektorová optika s výbojkou pro tlumené světlo, 5 – halogenové dálkové světlo
43
Bi-Litronic (Bifunkční Litronic) Je to zvláštní systém navržený firmou Bosch, který spočívá na principu reflexního světlometu. Dovoluje pomocí pouze jedné výbojky z dvojsvětlometového systému vytvářet tlumené i dálkové světlo. K přepínání světel se dociluje tak, že při přepnutí přepínače světel nastaví elektromagnetický stavěcí člen výbojku umístěnou v reflektoru do dvou různých poloh, které odpovídají výstupu světelného toku pro dálkové nebo tlumené světlo. (VLK, 2005)
Obr. 41 Bifunkční Litronic (VLK, 2005) 1 – tlumené světlo, 2 – dálkové
4.3.4.2 Reflexní světlomety Využívají se, když máme k dispozici větší plochu. Výstupní plocha je charakterizovaná rozptylovým polem, které je integrováno do uzavíracího skla světlometu, nebo leží na jeho vnitřní straně. Nejčastěji se používá výbojka u tlumeného světla, která je pro vytvoření hranice světla a tmy vybavena stínovými pruhy. Dálkové světlomety se dají realizovat za pomocí speciální výbojky. 4.3.4.3 Světlomet Bi – xenon Slučuje tlumené a dálkové světla do jednoho světlometu a využívá výhod xenonové výbojky pro oba druhy světel. Použitím těchto světlometů se snižují náklady i nároky na zastavěný prostor a otvírají se nové možnosti pro automobilové inženýry. K výhodám těchto světlometů patří mimořádně intenzivní a široce rozptýlené dálkové světlo, které je barevně přizpůsobené tlumenému a nízká spotřeba energie při provozu dálkových světlometů. Bi-xenon se používá pro světla s čistě odrazovou plochou (reflexní) a pro projekční systémy.
44
Obr. 42 Bi – xenonový světlomet pro Škoda Octavia (XENON, 2007)
Bi – xenonový světlomet s odrazovým systémem Zdroj světla je mechanicky posouván do dvou poloh, které jsou od sebe vzdáleny několik milimetrů, a to po požadovaném rozdělení světelného toku pro oba druhy osvětlení. Předepsanou hranici světla vytváří stínění na výbojce. Výkonnost bi- xenonového světlometu s reflexním systémem je závislá na společné odrazové ploše pro tlumená a dálková světla. Čím je velikost odrazové plochy větší, tím je větší účinnost světlometu. Bi – xenonový projekční světlomet V projekčním světlometu je výbojka zabudována pevně, pohyblivá je clona, která slouží k tvarování tlumeného a dálkového světla. Clona je ovládána mechanicky. Pro tyto světlomety je výhodná malá čelní plocha, což je typické pro tyto světlomety. Navíc je možné do světlometu integrovat další funkce jako je např. vyhodnocování vzdálenosti před námi jedoucího vozidla. (KUBÁT, a další, 2003)
Obr. 43 Schéma Bi-Xenonového modulu (SAJDL, 2012)
45
4.3.5 Adaptivní světlomety Do světelného zařízení vozidla patří adaptivní světlomety. Světlomety se přizpůsobují počasí, jízdě za deště, sněžení nebo mlze. V uvedených situacích se stává, že řidič je nepříjemně rušen odrazy světlometů od lesklého povrchu vozovky. Adaptivní světlomety se cíleně přizpůsobují jízdě. Konstruktéři se snaží pro řidiče vylepšit viditelnost za každého počasí.
4.3.5.1 Vývoj adaptivních světlometů Parametry světlometů osobních automobilů velmi přesně určují předpisy ECE, které do roku 2005 umožňovaly jen vertikální změnu úhlu vysílaného paprsku světla, neumožňovaly natáčení asymetrických světlometů do stran. Normy ECE předepisují pro potkávací světlomety feromagnetické hodnoty s přesně definovaným tvarem a rozložením světla. Podmínky na silnicích jsou často proměnlivé. Vývoj adaptivních světlometů začal v roce 1993 z iniciativy výrobců jako projekt AFS Eureka (Advanced Front Light System). Prvním výsledkem byl právě světlomet AFS. Uvedení těchto světlometů do sériové výroby však umožnila novela předpisu ECE R48, s platností od 31. ledna 2003. Tato norma navazuje na změněné předpisy ECE pro xenonové a halogenové světlomety. Moderní systém AFS využívá elektronické zařízení, které samočinně natáčí hlavní světlomety do zatáčky v závislosti na rychlosti jízdy a úhlu natočení volantu. Jejich uvedení bylo rozděleno na dva kroky. Od roku 2006 bylo povoleno pouze natáčení a od roku 2008 je možno využívat další generaci s doplňkovými funkcemi.
(VLK, 2006) 4.3.5.2 Statické světlomety (AFS) Statické světlomety nemůžeme jednoznačně považovat za adaptivní světlomety, protože se nenatáčejí. Mají přídavný světlomet, je pevný a nasměrován tak, aby při změně směru jízdy osvětloval oblast v úhlu 60° až do 80°. Statický systém je vhodný pro velni úzké zatáčky, serpentiny, křižovatky a pro manévrování v těsných prostorách se špatnou viditelností kolem vozu. Funkce těchto doplňkových světlometů je řízena elektronickou jednotkou, která vyhodnocuje nutnou intenzitu postranního světelného paprsku na základě rychlosti jízdy, úhlu natočení volantu a zapnutí směrových svítilen. Systém spolehlivě pracuje při rychlostech do 70 km/h a při zapnutých tlumených světlometech. U statického světla do zatáčky se jako vstupní veličina pro algoritmus spouštění světla používá spínač směrových světel, jako akční člen slouží přídavná halogenová žárovka. AFS světlomety jsou další vývojový krok u projekčních systémů.
46
První statický světlomet s odbočovacím reflektorem je nazýván Corner light. (VLK, 2006)
Obr. 44 Statický světlomet (VLK, 2006)
4.3.5.3 Adaptivní dynamické světlomety (AHL) Adaptivní (dynamické) světlomety zlepšují viditelnost vozovky při odbočování a zatáčení vozidla v noci nebo za zhoršeného počasí. Úhel natočení a délka osvětlení se mění podle rychlosti jízdy. Natáčení tlumeného světla je maximálně o 15° v každém směru. Natáčení je optimální pro zatáčení s rychlostmi nad 30 km/h.
Obr. 45 Adaptivní dynamické světlomety (VLK, 2006) Vlevo – konvenční potkávací světlo s asymetrickým rozdělením svítivosti Vpravo – potkávací světlo s dynamickým světlem do zatáčky pro včasné rozpoznání
Moduly mohou být halogenové, xenonové či bi-xenonové. Adaptivní bi-xenonové světlomety s projektorovým systémem se natáčí při tlumených i dálkových světlech
47
pomocí elektroniky nebo elektromotorky. Řízeno je to elektronickou jednotkou. Ta je v elektronické vysokorychlostní datové síti vozu a v aktuálním čase přijímá data o rychlosti jízdy a úhlu natočení volantu. Každý světlomet disponuje svojí řídící jednotkou a vlastním elektromotorkem. Samotné natáčení projektoru nebo reflektoru se řídí elektronikou, která vyhodnocuje rychlost jízdy a natočení řízených kol. V závislosti na tom se mění směr, šířka i výška svazku světla. U dynamického světla jsou aktuátory krokové motorky, které tlumené světlo natáčejí do požadovaného směru. (VLK, 2006)
Obr. 46 Projektor natačecího modulu od firmy Hella (ČUPERA, 2011)
4.3.5.4 Adaptivní světlomety (AFL) Světlomety AFL mají elektromechanický systém, samočinně natáčí hlavní světlomety do zatáčky opět podle rychlosti a úhlu natočení volantu. Přídavný světlomet při odbočování ve tmě zlepšuje viditelnost do zatáčky, do které vozidlo odbočuje. Odbočovací světlomet je nainstalován mezi potkávacím a dálkovým světlem v tělese hlavního světlometu. Aktivuje se při rychlosti pod 70 km/h při zapnutých tlumených světlech. Zapíná se automaticky buď při delší době zapnutých směrových světlech, nebo hodně stočeném volantu. Světlomety AFL svoji činnost přizpůsobují jízdním a světelným podmínkám. Jiné podmínky se kladou na světlomety pro městský provoz, jiná pro dálnice či okresní silnice.
48
Obr. 47 Rozvržení světelných paprsků (Office, 2007)
Adaptivní světlomety AFL nové generace mají horizontálně a vertikálně natáčet bi-xenonové světlomety s pohyblivými částmi reflektorů a variabilními filtry s clonami umístěnými do cesty světelného paprsku. Hlavní částí adaptivních světlometů AFL je systém dynamického natáčení světel, díky tomu řidič vidí až o 90% lépe osvětlené zatáčky, neboť se světla natáčejí souběžně s řízením. Příkladem může být jízda zatáčkou s poloměrem 190 metrů. S konvenčními pevnými světlomety je osvětlený prostor do vzdálenosti přibližně 30 metrů. Adaptivní světlomety se systémem dynamického natáčení světelného paprsku osvětlí prostor ještě o 25 metrů dále. Adaptivní světlomety se natáčejí do stran v horizontální, ale i ve vertikální rovině. Některé adaptivní světlomety se dokážou samy natáčet a rozsvěcovat. Při automatické aktivaci světel, která bývá zatím výbavou na přání, se samy rozsvítí při vjezdu do tunelu i při soumraku. Při opuštění tunelu i při rozednění se samy vypnou. (VLK, 2006) 4.3.5.5 Systém ALC (Cornering Lights with Adaptive Light Control) Systém ALC je vyvíjen výzkumným a vývojovým programem Connected Drive. Jde o světlomety s variabilním rozdělením světla na vozovku podle jízdních situací. Natáčecí modulové světlomety Vario-Xenon (Vario X), které mají úhel natočení až 15°. Systém má informace ze satelitního systému GPS. Díky GPS a digitalizovaným mapám silniční sítě navigační přístroje sledují pohyb vozu po vozovce a dokáže osvětlit zatáčku dříve, než vůz vjede do zatáčky. Mimo obec je světelný paprsek úzký a má větší dosah. Při jízdě v obci je velmi široký, aby osvětlil oblasti blízko silnice. (VLK, 2006)
49
4.3.5.6 Systém DLS (Distributive Lighting System) U osvětlení DLS je jeden centrální zdroj, z něj je světlo vedeno světlovody k jednotlivým částím systému. Systém DLS je složen ze světelného zdroje, světelného modulu, světlovodů a vnější činné optiky. Tento systém může být dovybaven ovládáním přes satelitní navigaci a přepínáním do jednotlivých funkcí podle polohy a rychlosti. (VLK, 2006) 4.3.6 LED světlomety Automobilová světelná technika zažívá v nynějším období rychlý technický pokrok, a tak se pro vnější osvětlení vozidla používají LED diody. LED diody mají nesporně mnoho výhod. Využití LED diod dříve nebylo možné z důvodu nízkého výkonu. Díky zdokonalení se výkon výrazně změnil, a tak nic nebrání tomu, aby se použily do vnějšího osvětlení. Vysoce výkoné diody (vysoce svítivé) se staly srovnatelné s ostatními světelnými zdroji. Mohou se využít pro koncová a brzdová světla všech druhů automobilů. Vysoce svítivé LED diody májí stále větší uplatnění. Bílé se používají pro tlumené i dálkové světlo, sdružují se do tzv. vícečipových diod.
4.3.6.1 Hlavní světlomet LED Světlomet se zdrojem LED (Light Emitting Diode) diod uvedl jako první Lexus roku 2007 na svém reprezentativním modelu LS 600h.
Obr. 48 Tlumené světla s LED technologií (Lexus, Made by Koito, 2011)
50
Diody zastávaly tlumená světla. Na obr. 49 je zobrazena distribuce a nastavení tlumených světlometů. Projektory s LED čipy umí natáčet světelný kužel a vyrovnají se adaptivním světlometům. Samozřejmě pozadu nezůstávají žádní výrobci světlometů, a tak se LED světlomety začínají stále více objevovat na všech typech automobilů. Lexus sice představil jako první světlomety s LED diodami, avšak kompletně osazené světlomety pouze LED měly až vozy AUDI R8 a Cadillac Escalade Platinum. Světlomet AUDI R8 byl osazen 54 LED diodami.
Obr. 49 Vnitřní uspořádání LED světlometu AUDI R8 (Office, 2007)
Obr. 50 Světlomet Audi osazený LED diodami
4.3.6.2 Světla pro denní svícení Vyznačují se silně rozptýleným tokem světla a netvoří světelný kužel. Rozptýlené světlo neoslňuje řidiče ani neosvětluje vozovku, avšak zajišťuje bezpečnost provozu. Jsou homologovány dle předpisu EHK 48 a jsou určené pouze pro osvětlení ve dne a pro počasí s nesníženou viditelností. Na vozidlo se instalují dva kusy světel. Umístění je ve vodorovné rovině ve výšce od 250 mm do 1500 mm v přední části vozidla, od
51
bočního obrysu je max. 400 mm a vzájemně mezi světly min. 600 mm (u vozidel s šířkou menší než 1300 mm je povolena vzájemná vzdálenost 400 mm). Světla se rozsvěcují automaticky po zapnutí zapalování (nastartování motoru) a zhasnou po jeho vypnutí. Při rozsvícení obrysových světel musí světla pro denní svícení automaticky zhasnout. (Denní svícení, 2010)
Obr. 51 Denní svícení na vozidle AUDI A4 (Audi, German car blog, 2011)
4.3.7 Návěsná světla Návěsná světla mají funkci informativní a bezpečnostní pro všechny účastníky silničního provozu. Lze je rozdělit do dvou skupin. Jedna skupina se nazývá signalizační, kam patří světla směrová, varovná a brzdová. Druhá skupina se nazývá identifikační. Sem patří světla mlhová, koncová, obrysová i odrazky. Nejzajímavější z této skupiny jsou světla brzdová, která v poslední době bývají vybavena funkcí panického brždění či stupňovitou signalizací. U BMW se systém skrývá pod zkratkou BFD. (VLK, 2005)
Obr. 52 Dvoustupňový signalizační systém BMW (News Auto, 2012)
52
4.3.8 Inovativní světlomety 4.3.8.1 Světlomet s článkovými clonami Tato světelná technika vychází z projekčního světlometu. Základem jsou článkové clony, které nahrazují stínění. Má přednost především v tom, že efektivně osvětluje blízké okolí protijedoucího vozidla dálkovými světly za dodržení požadavku na neoslňování. Tím pádem jsou vidět i překážky, které jsou jinak z důvodu omezeného světelného toku skryty. Názorně to dokazuje obr. 53, kde je vidět napravo od vozidla malé zvíře.
Obr. 53 Světlometu s článkovými clonami, projekce na stěnu (ISAL Organization Office, 2007)
Jeden krok představuje pohyb o 10 μm. Clony se dokáží přepínat mezi světelnými režimy cca 0,5 m.s-1, vyjádřeno v čase je to 20 ms, což je 7,5 krát menší doba proti nynějším světlometům.(ISAL Organization Office, 2007) 4.3.8.2 Pixelové světlomety Pixelové světlomety jsou po adaptivních a LED světlometech dalším převratným zařízením
světelné
techniky.
Tato
inovativní
světelná
technika
dovoluje
naprogramovatelné a přesné rozdělení světla na vozovku. Hlavní součástí je čip pod označením DMD (Digital Micromirror Device, což v překladu je digitální mikrozrcadlové zařízení). Skládá se přibližně z 480 tisíc mikroskopických malých zrcadel o rozměru jednoho pixelu. Jednotlivé zrcadlo je samostatně řízeno a natáčeno. Zrcátka jsou náhradou za běžný reflektor a přebírají i jeho funkci. Natáčením tisíců plošek lze oblast ve výši očí protijedoucích řidičů ztmavit, nebo jasně a cíleně osvětlit dopravní značení. Systém je navržen tak, aby uměl na vozovku promítat i různé informační symboly z navigačních systémů a informovat řidiče o změně směru jízdy. Mají lepší dynamickou regulaci sklonu i bočního natočení světelného paprsku a zavedení zvláštního osvětlení pro jízdu ve městě, po dálnici nebo na místních silnicích. Jako první mají být zavedeny přídavné světlomety pro osvětlení ostrých zatáček a krajnic. (VLK, 2006)
53
Obr. 54 Čip DMD se zvětšenou plochou zrcadel (VLK, 2006)
4.3.8.3 Laserové světlomety První laserové světlomety mají být použity u plug-in hybridního super sportu BMW i8 v roce 2014. Laser má být nástupcem diodových světlometů. Laser může poskytnout lepší svítivost ve srovnání s diodami a spotřebuje i méně než polovinu energie, čímž přispěje ke snížení spotřeby paliva.
Laser je zdrojem monochromatického
a koherentního světla, má tedy jednu barvu, je tvořeno jedinou vlnovou délkou a jeho vlnová délka má konstantní fázový rozdíl. To znamená, že laser vyzařuje téměř paralelní paprsek s intenzitou tisíckrát větší než u běžných LED diod. Další vlastností laseru je velikost samotných laserových diod. Ty budou velké 10 mikrometrů, díky čemuž budou tisíckrát menší než čtvercové články LED diod, jejichž strana měří jeden milimetr. Laserovými diodami se v budoucnu docílí mnohem menších rozměrů než dnes.(HRUBEC, M., 2011)
Obr. 55 Laserové světlomety BMW (HRUBEC, M., 2011)
4.4
Inteligentní funkce světlometů
4.4.1 Funkce „Doprovoď mě domů“ (Follow-me-home) Funkce pracuje společně se systémem automatické aktivace světel, rozsvícené světlomety zůstávají v činnosti po dobu 30 - 60 sekund po vypnutí zapalování. Mají zajistit osvětlení okolního prostoru po opuštění vozidla. 54
4.4.2 Uvítací světlo (Welcome light) Po otevření vozu se pomalu rozsvítí vnitřní osvětlení a v různém časovém sledu se jednotlivé zdroje ztlumí, vypnou se po pevně nastaveném čase nebo zůstanou aktivovány do nastartování vozidla. 4.4.3 Funkce „Detekce chodce“ Automotive Lighting vyvinul v úzké spolupráci s Mercedes-Benz nový aktivní systém nočního vidění s ukazovatelem světla. Osvětlovací systém detekuje chodce na i mimo silnici. Několikrát krátce zabliká s bodovým osvětlením. Směruje pozornost řidiče na chodce a řidič je navíc varován. Tato bezpečnostní politika má zvláštní význam, protože chodci jsou hlavně v noci ohroženi na mimoměstských silnicích.
Obr. 56 Detekce chodce na silnici (Lighting.de, 2012)
Kamera ve spojení s infračerveným reflektorem detekuje na silnici nebo v její blízkosti pěší siluetu, modul světlometu se pak otáčí přímo na dané místo. Osoba je opakovaně selektivně osvětlena bodovým světlem. Na pravé straně silnice systém začne detekovat člověka, pokud je vidět v úhlu ne větším než 10˚ po směru jízdy, na levé straně silnice pod úhlem menším než 7˚. (Lighting.de, 2012)
4.5 Regulace sklonu světlometů
Obr. 57 Dosah světla na rovné vozovce bez regulace sklonu světlometů (VLK, 2006)
a) při jízdě stálou rychlosti, b) při zrychlení nebo se zatížením vzadu, c) při brzdění
55
Regulace sklonu světlometů má při různém zatížení vozidla zajistit stálý a dobrý dohled bez oslnění protijedoucích vozidel. Je několik způsobů, jak toho docílit, a to ruční regulací nebo automatickou regulací, která může být statická a dynamická. 4.5.1 Ruční regulace Ovládá se otočným regulátorem z místa řidiče. Korektor je hydraulický, nerozebíratelný a je plněn nemrznoucí kapalinou. Vlivem kapaliny jsou stlačovány písty, které naklápí optické vložky světlometu. Ke světlometům jsou upevněny pracovní válce jen nasunutím a pojistnými západkami, které se spojí s ovládači ve světlometech. 4.5.2 Automatická regulace Je proti ručně ovládané regulaci bezpečnější a jistější, protože řidič subjektivně posuzuje zatížení. Vozidla vybavená výbojkovými světlomety mají zákonem předepsanou automatickou regulaci dosahu světlometů. Automatická regulace sklonu se rozlišuje na statický a dynamický systém. 4.5.2.1 Statický systém Staticky systém vyrovnává užitečné zatížení v prostoru pro cestující a v zavazadlovém prostoru. Kromě signálů z nápravových snímačů přijímá řídící jednotka rychlostní signál z elektronického tachometru nebo z řídící jednotky ABS. Pomocí signálu nám systém určí, je-li vozidlo v klidu nebo se pohybuje, popřípadě jede stálou rychlostí. Statický automatický systém pracuje vždy s dlouhým intervalem, tzn. že se přenastaví pouze s dlouho přetrvávajícími náklony karosérie. U statického systému jsou použity ručně ovládané servomotory. K regulaci se používají následující součásti: ▪
snímače úrovně vozidla na přední a zadní nápravě (Hallovy snímače)
▪
řídící jednotka zabudovaná do předního snímače
▪
stavěcí elektromotory světlometů (zabudovány do světlometů) 4.5.2.2 Dynamický samočinný systém Dynamický systém upravuje sklon světlometů při rozjezdu, akceleraci a brždění,
zabezpečuje optimální polohu světlometů při jakékoli poloze, protože funguje ve dvou provozních režimech. Přídavným rozlišením rychlostního signálu se od statického systému sklonu světlometů rozpozná akcelerace a brzdění. Při jízdě stálou rychlostí zůstává dynamický systém i statický systém v režimu s velkým tlumením. Při vyhodnocení akcelerace nebo brždění, se systém okamžitě přepne do dynamického režimu. Zrychlené vyhodnocení signálu a zvýšené stavěcí rychlosti servomotorů
56
přizpůsobí sklon světlometů za desetiny sekundy. Po ukončení akcelerace nebo brždění se systém sám přepne do pomalého režimu. Ke komponentům dynamické samočinné regulace sklonu světlometů patří: ▪
snímače na nápravách vozidla (přesně zachytí úhel náklonu karosérie)
▪
elektronická řídící jednotka přepočte signál ze snímačů na úhel náklonu karosérie a ten porovná s předvolenou hodnotou, při odchylce vyšle příslušné aktivační signály na servomotory, které provedou přesné nastavení světlometu (VLK, 2005)
Obr. 58 Schéma zobrazení dynamické regulace sklonu světlometů (VLK, 2006) 1. světlomet, 2. nastavovací člen, 3. snímač na přední nápravě, 4. vypínač světel (zapnuto/vypnuto), 5. elektronická řídicí jednotka, 6. snímač na zadní nápravě, 7. snímač otáček, 8. užitečné zatížení
4.5.3 Seřízení světlometů Přesné seřízení lze provést jen pomocí speciálního seřizovacího přístroje tzv. regloskopu. Se stejnou přesností jde nastavit světlomet i pomocí kontrolní stěny, na které jsou vyznačeny středy jednotlivých světel a rozhraní světla a stínu u světel potkávacích. (VLK, 2006)
57
5
METODIKA MĚŘENÍ Pro správnou funkci, respektive pro správné změření a vyhodnocení metodiky
světelného zdroje v hlavním světlometu je nutné mít správně seřízeny světlomety. Kontrolu seřízení nebo vlastní seřízení lze provést pomocí kontrolní stěny nebo optického přístroje (regloskopu). Z legislativy vyplývá, že sklon potkávacího světla nesmí být větší o více než 10 cm /10 m (-1 %) a nesmí být menší o více než 5 cm/10 m (-0,5 %). Není-li nastavení potkávacích světel výrobcem předepsáno, musí být základní nastavení 15 cm /10 m (-1,5 %). Dálkové světlo musí být seřízeno podle předpisu výrobce. Připouští se posunutí v horizontálním směru ±20 cm/10 m, ve vertikálním směru ±20 cm/10 m. Technické hodnoty automobilových žárovek na vozidlech jsou dány normami vázána. Totéž je i u použitých světlometů, protože dodržení předepsaných hodnot osvětlení musí být zajištěno i po výměně žárovky od jakéhokoli výrobce.
5.1 Příprava měření Měření se uskutečnilo v laboratoři Ústavu automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně na nivelované ploše, která odpovídá technickým předpisům pro měření regloskopem. Předpis stanovuje podmínky pro pevnou pojezdovou dráhu regloskopu. Ta musí splňovat odchylku od roviny, která nesmí být větší než +/- 0,5 mm na jeden metr a v případě pevného stání pro vozidlo je povolená odchylka +/- 1,0 mm.
Obr. 59 Pozice a možnost nastavení regloskopu při měření. (VLK,2006)
58
Měření světelných zdrojů typu H4 proběhlo na parabolickém reflektoru s rozptylovým sklem na vozidle Škoda Felicie Combi GLX 1,3 MPI. Tlak u vozidla v pneumatikách odpovídal předpisu od výrobce, sedadlo řidiče bylo zatíženo 75 kg. Odstup regloskopu od automobilu má být v rozmezí 30 až 70 cm, musí být osově rovnoběžně s podélnou osou vozidla (viz obr. 59). Pro zakoupení testovaných světelných zdrojů jsem využil obchodní centra, ale i specializované obchody s autopříslušenstvím. Takto jsem získal deset žárovek typu H4.
5.2 Přístroje a jejich popis Regloskop MOTEX 7535 Přístroj na kontrolu a seřízení světlometů silničních vozidel, jejichž výška je nad vozovkou v rozmezí 200-1300 mm. Přístroj pracuje na principu přímé projekce se zmenšením 1:20 a umožňuje seřídit potkávací a dálkové světlomety, světlomety do mlhy a také kontrolu intenzity osvětlení dálkovými světly. Je vybaven zrcadlem pro nastavení optické osy tubusu do podélné osy vozidla a má pojezdová kolečka. Přístroj na kontrolu seřízení světlometů (regloskop) je vlastně opticko-mechanické zařízení, pracující na principu přímé projekce obrazu světla vyzařovaného světlometem. (MOTEX v. d., 2012) Základní technická data Regloskopu MOTEX 7535 (r. v. 1999, v. č. 88)
Obr. 60 MOTEX 7535, mobilní verze (MOTEX v. d., 2012)
59
Zdroj MATRIX MPS3005L3 Pro přesné měření a nastavení potřebného napětí byl použit laboratorní přístroj METRIX. Lze sním nastavovat jemné a hrubé napětí a proud. Parametry: Napětí: 2x0-30V+5V, proud: 5A 2x zelený výstup pro napětí / 2x červený výstup pro proud 3 místný displej LED displej Ochrana proti zkratu, možnost volby MASTER / SLAVE nebo nezávislosti na sobě Napěťová stabilizace: +0, 01% +3 mV Proudová stabilizace: +0, 02% +3 mA Rozměr d x š x v: 245x140x345mm Napájecí napětí 230 V +10% / 50Hz
Obr. 61 Laboratorní zdroj (Info-SERVIS.cz, 2012)
Klešťový multimetr DT-9701 Multimetr byl použit jako ampérmetr pro měření proudu procházejícího napájecími vodiči Vlastnosti:
rozevření čelistí 22mm, funkce DataHold, indikace nízkého stavu baterie, manuální nastavení rozsahů
Parametry:
napětí AC/DC 600V +-1,5/+-0,8%, proud AC/DC 200A +-3/+-2,5%, odpor 2kOhm +-1%, temperature 1370°C +-3%, tester diod, test vodivosti akustický signál <25Ohm, rozměry d x š x v: 181 x 43 x 30mm, hmotnost: 225g, napájení: 9V baterie
60
Obr. 62 Klešťový multimetr (GM electronic, 2012)
Vodiče – vodiče byly použity jednožílové s průřezem 2,5 mm2 s dvojitou izolací Testované světelné zdroje H4 výrobci či jednotlivé značky:
XXXXX (bez označení) KOMPASS PHILIPS (2C3U) BOSCH (2F8006) OSRAM (BILUX) OSRAM (NIGHT BREAKER) UNITEC (GK) PHILIPS (2C3U + 50 % MORE LIGHT) LED (bez označení, Čína) GE (General Electric)
5.3 Vlastní měření Měření bylo prováděno pro každou jednotlivou žárovku na napětí palubní sítě 12 V (nominální hodnota) a 14 V (zvýšená hodnota) jak pro tlumené, tak dálkové světlo. Žárovky jsem před měřením nenechával zahořet, měnily se s velkou opatrností tak, aby nedošlo ke změně správného nastavení světlometu. Do tabulky se zapisovaly hodnoty proudu, napětí a při měření dálkových světel i intenzita. Projekce obrazu světla vyzařovaného světlometem byla zdokumentována pro oba druhy světel fotoaparátem pro následné zhodnocení. Při získávání obrazového materiálu projekce světelného zdroje na regloskopu ze světlometu nebo ze světelného zdroje mohlo dojít v některých případech ke zhoršení kvality snímku. Při měření byl pro hrubou kontrolu použit i klešťový ampérmetr. Z principu jeho funkce a dané obsluhy nelze z těchto naměřených hodnot vycházet nebo je jakkoli použít pro přesné vyhodnocení.
61
6
VYHODNOCENÍ ZMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT Tab.2: Naměřené a spočítané hodnoty žárovka č.
druh světla tlumené
1 dálkové tlumené 2 dálkové tlumené 3 dálkové tlumené 4 dálkové tlumené 5 dálkové tlumené 6 dálkové tlumené 7 dálkové tlumené 8 dálkové tlumené 9 dálkové 10
dálkové
U [V] 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14 12 14
I [A] 4,19 4,56 5,17 5,64 4,65 5,10 5,39 5,85 4,67 5,08 5,04 5,49 4,48 4,89 5,09 5,54 4,74 5,14 5,18 5,61 4,51 4,91 5,28 5,72 4,86 5,29 5,30 5,76 4,64 5,06 5,20 5,64 4,30 4,68 5,02 5,48 0,34 0,59
I ampérmetru [A] 4,04 4,39 5,07 5,53 4,04 4,26 4,74 4,98 3,90 4,25 4,10 4,41 3,82 4,10 4,28 4,74 3,89 4,18 4,13 4,60 3,60 3,89 4,07 4,69 3,78 4,18 4,12 4,49 3,74 4,06 4,27 4,66 3,38 3,69 3,87 4,36 0,27 0,24
E [μA] 55 60 52,5 57,5 55 60 55 60 55 60 55 60 55 60 52,5 57,5 55 60 0 0
P žárovky [W] 50,28 63,84 62,04 78,96 55,80 71,40 64,68 81,90 56,04 71,12 60,48 76,86 53,76 68,46 61,08 77,56 56,88 71,96 62,16 78,54 54,12 68,74 63,36 80,08 58,32 74,06 63,60 80,64 55,68 70,84 62,40 78,96 51,60 65,52 60,24 76,72 4,08 8,26
U žárovky č. 10 při měření tlumených světel byla zjištěna závada, žárovka fungovala pouze na dálkových světlech. Z tohoto důvodu jsou uvedeny pouze hodnoty pro světla dálková.
62
6.1 Grafické vyjádření hodnot z tabulky 70
60
50
E [μA]
40 12V 14V 30
20
10
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
žárovka
Obr. 63 Intenzity osvětlení E při dálkových světlech při napětí 12 V a 14 V
Z tabulky č. 2 i ze sloupcového grafu (viz obr.63) je vidět, že kromě LED žárovky, kde se nenaměřily žádné hodnoty intenzity osvětlení, se jedná pouze o dva případy (č. 2, č 8), kdy se intenzita osvětlení žárovek odklonila od standartně změřených hodnot, kterými jsou 55μA při napájecím napětí 12 V a 60 μA při napájecím napětí 14 V. 90
80
70
E [μA], P [W]
60
50 Intenzita E [μA] P žárovky [W] 40
30
20
10
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
žárovka
Obr. 64 Srovnání intenzity při dálkových světlech s výkony žárovek P při 14 V
63
Na obr. 64 lze z grafu vyvodit, že změřené žárovky při napájecím napětí 14 V mají rozdílný výkon. Pro žárovky s nejmenší intenzitou osvětlení lze konstatovat, že mají největší spotřebu eletrické energie k hodnotě intenzity osvětlení.U LED žárovky nebyly naměřeny žádné hodnoty intenzity osvětlení, avšak výkon je zanedbatelný ve srovnání s klasickými žárovkami. 70
60
E[μA], P [W]
50
40 Intenzita E [μA] P žárovky [W] 30
20
10
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
žárovka
Obr. 65 Srovnání intenzity při dálkových světlech s výkony žárovek P při 12 V
Z grafu na obr. 65 lze opět vyčíst, že změřené žárovky tentokrát napájené napětím 12 V mají rozdílný výkon. Žárovky s nejmenší intenzitou osvětlení opět odebírají nejvíce eletrické energie. Na LED žárovce opětovně nebyla naměřena žádná intenzita osvětlení E.
6.2 Hodnocení změřených světelných zdrojů na regloskopu Hodnocení žárovky č. 1
Obr. 66 Žárovka č. 1 projekce na regloskopu
64
Tato žárovka má v seřízeném světlometě správnou distribuci světla. Tlumené asimetrické světlo kopíruje hranici potkávacích světe. Je také vidět neosvícenou plochu na pravé sraně tlumených světel, což bude způsobovat špatné osvětlení pravé krajnice. Dálková světla mají svazek ve středu projekční plochy. Vše je v pořátku. Hodnocení žárovky č. 2
Obr. 67 Žárovka č. 2 projekce na regloskopu
Žárovka má v seřízeném světlometě nesprávnou distribuci světla. Tlumená světla nekopírují hranici potkávacích světel. Na levé straně světlo míří pod hranici vodorovné přímky, na pravé straně je naopak vysoko nad hranicí přímky a je naprosto jisté, že dojde k oslnění potijedoucích vozidel. Rovněž osvícená plocha na pravé horní staně a ve středu je nedostatečná. Hrozí např špatné rozpoznání chodce. U dálkového světla svazek míří mírně doleva a mírně dolů. Dálková světla se dají uznat jako vyhovující. Celkový výsledek je ovšem nevyhovující. Hodnocení žárovky č. 3
Obr. 68 Žárovka č. 3 projekce na regloskopu
65
U žárovky je vidět, že tlumené světlo nekopíruje na levé straně hranici tlumených světel, je mírně pod hranicí vodorovné přímky, na pravé straně lze vidět malý svislý proužek pouze mírně osvětlené plochy, který nám mírně zhorší viditelnost do strany. U dálkového světla svazek míří do středu projekční plochy. Dálkové světlo je v pořátku a celkový výsledek lze považovat za vyhovující. Hodnocení žárovky č. 4
Obr. 69 Žárovka č. 4 projekce na regloskopu
U žárovky je vidět správná distribuce světla jak u tlumeného, tak i dálkového světla. U tlumeného světla však není tak ostrá hranice světla a stínu a není znát ani větší oblast stínu na osvětlené části projekční plochy. Jinak jsou obě světla vyhovující. Hodnocení žárovky č. 5
Obr. 70 Žárovka č. 5 projekce na regloskopu
Projekce paprsku světla této žárovky na plochu u asymetrickeho tlumeného světla vyhovuje. Na levé straně osvícené projekční ploše je v leve spodní části vidět slabě osvětlenou oblast. U dálkového světla paprsek směřuje mírně dolů, nicméně lze konstatovat že je vyhovující.
66
Hodnocení žárovky č. 6
Obr. 71 Žárovka č. 6 projekce na regloskopu
Paprsek světla této žárovky u asymetrickeho tlumeného světla kopíruje přesně přímky. Co se týká hranice světla stímu, ta je ostrá. Osvícená projekční plocha netrpý žádnými méně osvícenými oblastmi. Tlumená světla jsou vyhovující. U dálkového světla nám paprsek osvětluje širokou oblast projekční plochy. Na projekční ploše není vidět přesný bod, avšak pro dálkové světlo lze konstatovat, že je vyhovující. Hodnocení žárovky č. 7
Obr. 72 Žárovka č. 7 projekce na regloskopu
Tok paprsku žárovky u tlumeného asymetrického světla lehce směřuje nad danou hranici projekční plochy. Nemuselo by to však zapříčinit oslnění protijedoucích vozidel. Dále jde rozpoznat na pravé horní straně neosvětlený svislý pruh. Větší neosvětlený pruh je nežádoucí z důvodu bezpečnosti potencionálních účástníků silničního provozu. Dálkové světlo v tomto případě směřuje mírně dolů. Celkové hodnocení žárovky je pro provoz vyhovující.
67
Hodnocení žárovky č. 8
Obr. 73 Žárovka č. 8 projekce na regloskopu
Na světelném paprsku žárovky je vidět, že tlumené světlo nekopíruje na levé straně hranici tlumených světel, je mírně pod hranicí vodorovné přímky, na pravé straně je mírný přesah. U dálkového světla svazek míří do středu a osvětluje do velké šířky projekční plochu, mírně svítí dolů. Toto osvětlení je možné přikládat hořší kvalitě pořízeného snímku. Dálkové světlo lze považovat za vyhovující. Celkový výsledek hodnotím jako vyhovující, jelikož tlumená světla neoslní protijedoucí vozidla. Hodnocení žárovky č. 9
Obr. 74 Žárovka č. 9 projekce na regloskopu
Světelný paprsek u tlumeného světla je v pořádku, je huře znatelný přechod hranice světla a stínu a při pravém okraji není malá svislá část dostatečně osvětlena. Dálkové světlo míří na střed, ovšem osvětluje větší plochu než je střed projekční plochy. Na celkové vyhodnocení to vliv nemá, proto je velkové hodnocení výhovující.
68
Hodnocení žárovky č. 9
Obr. 75 Žárovka č. 10 projekce na regloskopu
Pro zhodnocení žárovky LED je pouze obrázek dálkových světel, protože při tlumeném světle žárovka nefungovala. Z obrázku je naprosto zřejmé, že podle projekce nelze uznat dálkové světlo jako splňující pro provoz na pozemních komunikacích. Na projekční ploše regloskopu není ani náznak koncentrovaného světelného paprsku směřujícího do středu vyznačené plochy. Světlo vyzařované touto žárovkou je rozptýleno po celé projekční ploše. Tato žárovka je zcela nevyhovující.
6.3 Celkové vizuální zhodnocení měření Z tohoto měření vyplývá, že žárovky s vyšší cenou v žádném případě výrazně nepřevyšují, nijak nepřekonávají ostatní testované žárovky s průměrnou cenou. Pro žárovky nižší cenové třídy se tento předpoklad nepotvrdil a v tomto měření obsadily poslední místa. Důvodem, proč jsou výsledky poměrně vyrovnané je to, že výrobci mají přípustnou pouze malou odchylku od daných hodnot, která jim brání ve větším překonání svítivosti. Při větších hodnotách by docházelo k oslnění protijedocích vozidel. Rozdíly jsou patrné spíše v lepším osvícení v některých bodech projekční plochy viditelných na regloskopu. Nejvíce je vidět rozdíl u tlumených světel na žárovce č.2 (viz obr. 67 ), což považuji za nejhorší výsledek a naopak nejlepšího výsledku bylo dosaženo na žárovkách č. 4, 6, 7 a 9 (viz obr. 69, 71, 72, 74). Nejhorší a nesprávná distribuce světla je na žárovce č. 2 (viz obr. 68), nekopíruje a výrazně přesahuje hranici pro tlumená světla. Může to být způsobeno špatně nebo chybně navrženou či přidělanou krycí clonkou v baňce žárovky a logicky z toho vyplývá, že světlomet by byl obtížně seřiditelný nebo neseříditelný. U tlumených světel respektive zdrojů vyjíma žárovky č. 2 byla splněna podmínka pro provoz.
69
Dálková světla jsou u některých měřených světelných zdrojů postihnuty mírným směřováním světelného paprsku pod střed projekční plochy. Na správné osvětlení vozovky to však vliv nemá a splňují podmínku pro provoz. LED žárovka nesplnila požadavky pro provoz na pozemních komunikacích a lze ji považovat za nebezpečnou. Barva (teplota světla) je u žárovek různá. Na projekční ploše jsou vidět tři barvy světla respektive jejich odstíny. Barva světla a její odstín hraje velkou roli, protože řidič je schopen dříve rozpoznat překážky nebo dopravní. Při testu kromě LED žárovky, která svítila modře, vyzařovaly ostatní žárovky barvu žlutou a bílou. Bílá barva oproti žluté více imituje světlo denní, které řidiči vnímají jako příjemnější a tím zajišťuje v noci uvolněnou jízdu bez únavy očí. V měření se bílá barva vyskytovala u žárovek s dražší pořizovací cenou.
70
7
ZÁVĚR Ve své diplomové práci jsem se snažil komplexně popsat a vysvětlit základní
informace, technické prvky a konstrukční řešení vnějšího osvětlení, které jsou spojené se světelnou technikou motorových vozidel. Práce je zaměřena na hlavní světlomety a jejich světelné zdroje. Práce v úvodu pojednává o definicích, o pojmech, o optice a o legislativě platné v České republice a v Evropské unii související s osvětlením vozidel. V teoretické části dominuje rozsáhlá kapitola nazvaná Světelná technika, která podrobně popisuje jednotlivé druhy a řešení světelných zdrojů, světlometů a jejich inteligentní funkce, které se různě uplatňují při provozu na pozemních komunikacích v závislosti na klimatických podmínkách. Po seznámení a po porovnání všech informací logicky vyplynulo, že nejmodernější světelné systémy májí nejlepší výsledky ve všech hodnocených parametrech a velmi významně zlepšují aktivní bezpečnost vozidel. Nevýhodou těchto světelných systémů je jejich výrobní náročnost, která se projevuje v pořizovací ceně a proto se s nimi setkáváme u automobilů vyšší střední třídy, u automobilů luxusních a sportovních. Experimentální část je dělena na metodiku měření a na vyhodnocení změřených a vypočtených hodnot. V metodice jsou uvedeny a popsány použité přístroje a měřidla s jejich parametry. Vlastní měření probíhalo za definovaného stavu, který byl dodržen u všech meřených žárovek. Dosažené výsledky měření nám ukázaly, že při testu žárovek od různých výrobců s nominálním a zvýšeným napájecím napětím si zachovávájí své užitné vlastnosti odpovídající kvalitě výroby. Výběrem žárovky je ovlivněna barva světla a rozložení světelného paprsku v zorném poli do té míry, že při každé výměně žárovky na základě výsledků měření by mělo dojít vždy k seřízení světlometů. Seřízení světlometu neodstraní nekvalitní rozložení světelného paprsku způsobené konstrukcí žárovky. Osvělovací technika má podstatný vliv na bezpečnost silničního provozu a z tohoto důvodu i ve světle získaných poznatků lze doporučit pořízení kvalitní žárovky, která minimalizuje nedostatky z pohledu účastníků silničního provozu, jako je oslnění protijedoucím vozidlem, viditelnost chodců apod.
71
8
SEZNAM LITERATURY A ELEKTRONICKÝCH ZDROJŮ:
LITERATURA BROŽ, J. a TRNKA, L. Autoelektrika a autoelektronika VI. 14. místo neznámé : Auto Expert, 2009. 1-16 s. sv. 1-2. ISSN 1211-2380. ČERNÝ, J. Světla a osvětlení silničních vozidel 1. Praha : Nakladatelství dopravy a turistiky, 1995. 40 s. ISBN 80-85884-18-6. HALLIDAY, D., RESNICK, R. a WALKER, J. Fyzika. místo neznámé : VUTIUM, 2001. 1254 s. ISBN 80-214-1868.0. KUBÁT, J. a ŽDÁNSKÝ, B. Elektrotechnika motorových vozidel. Brno : Avid, 2003. 155 s. Office, ISAL Organization. International Symposium on Automotive Lighting. Darmstadt : Verlag Herbert Ot, 2007. 970 s. ISBN 978-3-8316-0711-2. ŠTASTNÝ, J a REMEK, B. Autoeletrika a autoelektronika. Praha : Nakladatelství T. Malina, 2000. 311 s. ISBN 80-86293-01-7. VLK, F. Systémy řízení podvozku a komfortní systémy. Automobilová elektronika 2. Brno : Ben - Technická literatura, 2006. 308 s. ISBN 80-239-7062-3. VLK, F. Automobilová elektrotechnika 1: Asistenční a informační systémy. Brno : František Vlk, 2006. 269 s. ISBN 80-239-6462-3. VLK, F. Diagnostika motorových vozidel. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2006. 444 s. ISBN 80-239-7064-1. VLK, F. Elektrická zařízení motorových vozidel: Osvětlení. Brno : František Vlk, 2005. 251 s. ISBN 80-239-3718-9. VLK, F. Karoserie motorových vozidel. Ergonomika, biomechanika, struktura, pasivní bezpečnost, kolize, materiály. Brno : Nakladatelství Vlk, 2000. 240 s. ISBN 80-2385277-9.
INTERNETOVÉ ZDROJE AUDI. Preview of all upcoming models in 2008. [online] 2007 [citováno 23. 10. 2011] Dostupné na internetu: http://www.germancarblog.com/2007_12_01_archive.html
72
BMW zavádí dvoustupňová brzdová světla. News.auto. [online] 2012 [citováno 30. 3. 2012] Dostupné na: http://news.auto.cz/bezpecnost/bmw-zavadi-dvoustupnovabrzdova-svetla.html ČUPERA, J. Osvětlení, bezpečnostní prvky vozidel. [Online] 2011. Agronomická fakulta Mendelovy univerzity v Brně. Ústav techniky a automobilové dopravy.[citováno 2. 2. 2012] Dostupné na: http://old.mendelu.cz/~agro/af/technika/html/main.htm Denní svícení. [online] 2010 [cit. 2011-11-27]. Dostupné na:
. HRUBEC, M. Laserová světla. [online] 2. 9. 2011 [citováno 15. 2. 2012] Dostupné na: http://www.motocykl-online.cz/novinky/laserova-svetla CHRENŠČ, V. Když svítí LED. Auto Expert. 2007, 12 (11), s. 36-37. ISSN 1211-2380 OSRAM. Katalog produktů firmy Osram [online] 2012 [citováno 20. 1. 2012] Dostupné na internetu: http://www.osram.cz/osram_cz KOCIÁN M. Současný stav a vývoj mezinárodních předpisů pro osvětlení automobilů. Odborné časopisy. [online] 2001 [citováno 25. 2. 2012]. Dostupné na: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=22897 KOPEČNÝ J.: Základy fyziky – optika a atomové jádro. [online] VŠB-TU Ostrava 2008. [citováno 28. 2. 2012] Dostupné na: http://www.studopory.vsb.cz/studijnimaterialy/Zaklady_fyziky/Modul4.pdf KRULIŠ, L. LED – nová generace v osvětlování. Světlo, 2006. 7(4) [citováno 2. 3. 2012] Dostupné na internetu: http://www.odbornecasopisy.cz Lexus First to Use White LED Headlight. Made by Koito. [online] 2011. [citováno 28. 12. 2011] Dostupné na internetu: http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070725/136768/ Laboratorní zdroj MATRIX MPS3005L. Info-SERVIS.cz. [online] 5. 4. 2012 [citováno 20. 2. 2012] Dostupné na: http://www.praginfo.cz/_shop/index_.php?shop=MTQwMQ=&akce=detail&id=156822 Licht an Fahrzeug. Portmanns. [online] Vydáno 22. 2. 2005. Upraveno 14. 4. 2006. [citováno 23. 3. 2012 Dostupné na internetu: http://portmanns.ch/Unterricht/Elektro/Fahrzeugel/Scheinwerfer.pdf MOTEX v.d. Regloskopy. MOTEX v.d. Praha. [online] 2012 [citováno 2. 3. 2012] Dostupné na:
73
http://www.motexvd.cz/vyrobky/regloskopy/ Multimetr klešťový. GM electronic. [online] 2012 [citováno 4. 3. 2012] Dostupné na: http://www.gme.cz/klestove-merici-pristroje/multimetr-klestovy-cem-dt-9701-p722129/ OSRAM. Katalog produktů firmy Osram. [online] 2012 [citováno 20. 1. 2012] Dostupné na internetu: http://www.osram.cz/osram_cz Osvětlení. Lazo.czechian.net [online]. 2004 [cit. 18. 12. 2011]. Dostupné na:
. SAJDL J. 2011: Historie vývoje světlometu. Cs.Autolexikon. [online] 2011 [citováno 13. 3. 2012]. Dostupné na: http://cs.autolexicon.net/articles/svetlomet-automobilu ISSN 1804-2554 ŠKODA AUTO, A. S. Vývoj a konstrukce světlometu. [Online] 2008 [citováno 25. 2. 2012]. Dostupné na: http://www.fm.tul.cz/files/.../Vyvoj a konstrukce světlometu 28.3.07.pdf XENON.CZ [online] 2007 [cit. 2011-11-4]. Dostupné na: .
74
9
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1 Montážní vzdálenosti pro přední světelné zařízení ............................................ 12 Obr. 2 Montážní vzdálenosti pro zadní světelné zařízení ............................................... 12 Obr. 3 Disperze bílého světla na jednotlivé barvy .......................................................... 14 Obr. 4 Průchod světla čirým sklem ................................................................................. 15 Obr. 5 Průchod bílého světla barevným sklem ............................................................... 15 Obr. 6 Průchod světla přes matné sklo ........................................................................... 16 Obr. 7 Odraz světla od zrcadla........................................................................................ 16 Obr. 8 Kulová vlnoplocha, rovinná vlnoplocha .............................................................. 17 Obr. 9 Odraz a lom světla na rozhraní dvou optických prostředích ............................... 17 Obr. 10 Průchod světla z řidšího do hustšího prostředí .................................................. 18 Obr. 11 Průchod světla z hustšího do řidšího prostředí .................................................. 18 Obr. 12 Průchod paprsku přes optickou soustavu S tvoří sbíhavý svazek ..................... 19 Obr. 13 Průchod paprsku přes optickou soustavu S tvoří rozbíhavý svazek .................. 19 Obr. 14 Zobrazení na rovinném zrcadle ......................................................................... 20 Obr. 15 Zobrazení vrcholu předmětu u dutého zrcadla .................................................. 21 Obr. 16 Zobrazení vrcholu předmětu u vypuklého zrcadla ............................................ 21 Obr. 17 Zobrazení předmětu čočkou z předmětového do obrazového prostoru ............. 22 Obr. 18 Zobrazení obrazové ohniskové vzdálenosti ....................................................... 22 Obr. 19 Zobrazení předmětového ohniskové vzdálenosti .............................................. 23 Obr. 20 Konvenční žárovka ............................................................................................ 25 Obr. 21 Typy žárovek pro motorová vozidla .................................................................. 27 Obr. 22 Biluxová žárovka typ R2 ................................................................................... 27 Obr. 23 Halogenový cyklus ........................................................................................... 28 Obr. 24 Halogenová žárovka H4 .................................................................................... 29 Obr. 25 Xenonová výbojka ............................................................................................. 30 Obr. 26 Detail xenonové výbojky ................................................................................... 31 Obr. 27 Životností a světelného toku halogenové žárovky a xenonové výbojky ........... 32 Obr. 28 Škála barevné teploty světla .............................................................................. 32 Obr. 29 Blokové schéma řídící elektroniky pro výbojkové světlomety ......................... 33 Obr. 30 LED dioda.......................................................................................................... 35 Obr. 31 Přehled LED diod od předních výrobců ............................................................ 35
75
Obr. 33 Reflektor světlometu vytváří paralelní světelné paprsky .................................. 38 Obr. 34 schéma parabolického světlometu ..................................................................... 39 Obr. 35 Odrazová plocha DE .......................................................................................... 39 Obr. 36 Princip zobrazovací optiky projekčního světlometu (objektiv = čočka) ........... 40 Obr. 37 Odraz světla na vozovku.................................................................................... 41 Obr. 38 Osvětlovací systém PES .................................................................................... 42 Obr. 39 Systém Litronic v projekčním světlometu ......................................................... 43 Obr. 40 Čtyřreflektorový systém Litronic ...................................................................... 43 Obr. 41 Bifunkční Litronic ............................................................................................. 44 Obr. 42 Bi – xenonový světlomet pro Škoda Octavia .................................................... 45 Obr. 43 Schéma Bi-Xenonového modulu ....................................................................... 45 Obr. 44 Statický světlomet.............................................................................................. 47 Obr. 45 Adaptivní dynamické světlomety ...................................................................... 47 Obr. 46 Projektor natačecího modulu od firmy Hella .................................................... 48 Obr. 47 Rozvržení světelných paprsků ........................................................................... 49 Obr. 48 Tlumené světla s LED technologií .................................................................... 50 Obr. 49 Vnitřní uspořádání LED světlometu AUDI R8 ................................................. 51 Obr. 50 Světlomet Audi osazený LED diodami ............................................................. 51 Obr. 51 Denní svícení na vozidle AUDI A4 ................................................................... 52 Obr. 52 Dvoustupňový signalizační systém BMW ........................................................ 52 Obr. 53 Světlometu s článkovými clonami, projekce na stěnu ....................................... 53 Obr. 54 Čip DMD se zvětšenou plochou zrcadel .......................................................... 54 Obr. 55 Laserové světlomety BMW ............................................................................... 54 Obr. 56 Detekce chodce na silnici .................................................................................. 55 Obr. 57 Dosah světla na rovné vozovce bez regulace sklonu světlometů ...................... 55 Obr. 58 Schéma zobrazení dynamické regulace sklonu světlometů ............................... 57 Obr. 59 Pozice a možnost nastavení regloskopu při měření ........................................... 58 Obr. 60 MOTEX 7535, mobilní verze ............................................................................ 59 Obr. 61 Laboratorní zdroj ............................................................................................... 60 Obr. 62 Klešťový multimetr ........................................................................................... 61 Obr. 63 Intenzity osvětlení E při dálkových světlech při napětí 12 V a 14 V ................ 63 Obr. 64 Srovnání intenzity při dálkových světlech s výkony žárovek P při 14 V .......... 63 Obr. 65 Srovnání intenzity při dálkových světlech s výkony žárovek P při 12 V .......... 64 Obr. 66 Žárovka č. 1 projekce na regloskopu ................................................................. 64 76
Obr. 67 Žárovka č. 2 projekce na regloskopu ................................................................. 65 Obr. 68 Žárovka č. 3 projekce na regloskopu ................................................................. 65 Obr. 69 Žárovka č. 4 projekce na regloskopu ................................................................. 66 Obr. 70 Žárovka č. 5 projekce na regloskopu ................................................................. 66 Obr. 71 Žárovka č. 6 projekce na regloskopu ................................................................. 67 Obr. 72 Žárovka č. 7 projekce na regloskopu ................................................................. 67 Obr. 73 Žárovka č. 8 projekce na regloskopu ................................................................. 68 Obr. 74 Žárovka č. 9 projekce na regloskopu ................................................................. 68 Obr. 75 Žárovka č. 10 projekce na regloskopu ............................................................... 69
77
10 PŘÍLOHY
Příloha č. 1 - Schéma výrovy světlometů Příloha č. 2 - Schéma montáže světlometu Příloha č. 3 - Fotky testovaných žárovek typu H4
78
Příloha 1
Schéma výroby světlometů (Škoda Auto, a. s., 2008)
Příloha 2
Schéma montáže světlometu (Škoda Auto, a. s., 2008)
Příloha 3
Fotky testovaných žárovek typu H4
