OSVĚTLENÍ Elektrická světelná zařízení byla jedna z prvních, která byla zaváděna do příslušenství a výstroje motorových vozidel. Jejich podíl na bezpečnosti provozu i komfortu obsluhy vozidla je nesporný. Vlastnosti světelných zařízení jsou stanoveny celou řadou mezinárodních a národních předpisů a norem. Podle umístění na vozidle se rozeznává osvětlení vnější a vnitřní a podle vlastní činnosti jde o osvětlení za účelem zlepšení viditelnosti nebo o osvětlení informačního charakteru. Světelná zařízení jsou podle charakteru vydávaného světla, následující: 1. Světlomety - pro osvětlení okolí vozidla i na velkou vzdálenost. 2. Svítilny pro osvětlení blízkého okolí nebo pro optickou signalizaci. 3. Odrazky - svítidla bez vlastního optického zdroje - signalizace. Světlomety a svítilny se skládají ze zdroje světla (žárovka, výbojka, LED), optického systému (odrazová plocha a průsvitný kryt) a pouzdra. Svítilny mohou být samostatné, skupinové, sdružené nebo sloučené. U skupinových je společné pouze pouzdro, u sdružených navíc i zdroj světla a u sloučených naopak optický systém.
ZDROJE SVĚTLA Žárovky představují stále nejrozšířenější druh zdrojů světla pro motorová vozidla. Žárovky patří mezi žárové zdroje světla, u nichž je vznik světla podmíněn vysokou teplotou svíticí látky. Žárovky mají spojité spektrum, tzn., že vyzařované světlo obsahuje všechny barvy od červené až po fialovou. Při teplotách dosažitelných u vláken žárovek je však převaha vyzařované energie na straně tepla, takže jejich světelná účinnost je velmi malá. Konvenční žárovka (obr. 1) se skládá ze skleněné baňky, wolframového vlákna, nosného systému vlákna a patice, ke které je baňka přitmelena.
Obr. 1 Konvenční žárovka (Bosch): 1 - skleněná baňka, 2 - wolframové žhavené vlákno, 3 - patice, 4 - elektrický kontakt U motorových vozidel se používají žárovky plněné netečným plynem, většinou směsi dusíku a argonu (pro plnění nejvýhodnější, ale nejdražší je krypton). Tímto opatřením se snižuje emise materiálu vlákna, která vzniká při vysokých teplotách. Emisí materiálu se vlákno zeslabuje a v místě zeslabení dojde k přetavení nebo přetržení vlákna. Navíc se emitovaný materiál pohybuje směrem od vlákna k baňce, na jejímž vnitřním povrchu se usazuje a tím se snižuje světelná účinnost žárovky. Tento jev se projevuje tzv. „černáním" baňky. Halogenové žárovky mají vyšší svítivost i delší dobu života než žárovky běžné. Baňka žárovky je plněna plynem s příměsí halových prvků (obr. 2). U motorových vozidel se používá jako plnicí plyn metylenbromid a jako halový prvek brom. Proces, který probíhá uvnitř baňky, se nazývá halogenový cyklus (obr. 3).
Obr. 2 Halogenová žárovka H4: 1 -baňka, 2 - žhavena spirála pro tlumené světlo s krytem, 3 - žhavena spirála pro dálkové světlo, 4 - patice, 5 - elektrický kontakt
Obr. 3 Detail halogenové žárovky H4 (Bosch): 1 - wolframová žhavená spirála, 2 - halogenová náplň (jód nebo brom), 3 - odpařený wolfram, 4 - wolframový halogenid, 5 - usazování wolframu
Doba života halogenových žárovek dvojnásobná a při stejném příkonu se dosahuje až dvojnásobku světelného toku. Halogenová žárovka má v porovnání s běžnou žárovkou menší baňku, aby se uvnitř dosáhlo požadované teploty. Baňka je vyrobena z křemičitého skla, které je velmi citlivé na znečištění zejména mastnotou. Proto je nutno dbát zvýšené opatrnosti při manipulaci s žárovkou a v případě znečištění povrch baňky odmastit. Výbojky. U výbojek vzniká světlo výbojem mezi elektrodami, které jsou umístěny ve zředěném plynu, nebo parách některých kovů. Výbojka je v provozu jen mírně teplá, protože teplo není podmínkou vzniku světla, ale jen průvodním jevem. Známějším druhem výbojkových zdrojů světla jsou zářivky, které se používají téměř výhradně pro vnitřní osvětlení vozidel pro hromadnou přepravu osob. Zářivky jsou výbojkové trubice s fluorescenční vrstvou nanesenou na vnitřním povrchu, plněné parami rtuti. Barvu vyzařovaného světla je možno upravovat složením této vrstvy. Xenonové výbojky jsou moderním zdrojem světla. Je to trubice z křemičitého skla se zatavenými elektrodami, naplněná xenonem. Každá výbojka potřebuje svou řídicí jednotku. Elektronická řídicí jednotka zapaluje výbojku vysokonapěťovým impulsem 24 kV. Řídicí jednotka dále řídí příkon výbojky a reguluje jej na hodnotě 35 W. Součástí řídicí jednotky jsou i kontrolní a bezpečnostní systémy. Výhody xenonových výbojek: -ve srovnání s halogenovou žárovkou mají více než dvojnásobný světelný tok, -světlo je podobné dennímu, -zajišťují lepší osvětlení krajnic.
Obr. 4 Xenonová výbojka D2S: 1 - skleněná baňka s ultrafialovým filtrem, 2 - elektrická průchodka, 3 - prostor výboje, 4 - elektrody, 5 - patice, 6 - elektrický kontakt
Obr. 5 Xenonová výbojka D2R: 1 - skleněná baňka, 2 - prostor výboje, 3 - clona, 4 - patice
V současnosti se používají dva druhy výbojek (obr. 4 a 5): D2S pro projekční systémy a D2R pro systémy reflexní. Svítivá dioda – LED (Light Emitting Diode) je polovodičový prvek, který se začal používat nejdříve jako indikační a kontrolní prvek. V současnosti se však vysoce svítivé diody používají i v koncových a brzdových světlech. Objevují se již i pokusy použít bílé supersvítivé diody do předních světlometů. Mezi výhody LED diod patří vysoká životnost (asi 5x delší než u žárovek), nízká spotřeba a rychlejší odezva.
SVĚTLOMETY Světlomet je osvětlovací těleso, složené obvykle ze zdroje světla, optické soustavy a krytu, sloužící k osvětlování okolí pro zlepšení viditelnosti. Optický systém tvoří odrazová plocha obecného tvaru (zrcadlo), clony a čočky a vhodně tvarované krycí sklo, kterým světlo vystupuje. Rozložení světla ve výstupním světelném kuželu je dáno právě optickým systémem a umístěním a provedením zdroje světla. Konstrukčně musí být světlomety vodotěsné a prachotěsné a jako montážní celek musí být spolehlivě upevněny tak, aby jejich poloha byla na vozidle seřiditelná a za provozu neproměnná vlivem dynamických účinků. Původní, tzv. symetrické rozdělení světla postupně zaniklo, když se v roce 1957 zavedlo tzv.
asymetrické rozdělení světla (obr. 6). Asymetrické rozdělení světla v úrovni vozovky, kde rozhraní světla a tmy vzrůstá na pravé straně (u vozidel s pravostranným řízením) umožnilo výrazném zvětšení délky dosahu tlumeného světla, aniž by docházelo k oslnění protijedoucích vozidel.
Obr. 6 Rozdělení světla v úrovni vozovky: a - symetrické tlumeně světlo (nepoužívá se vůbec), b -asymetrické tlumené světlo 1 - vozidlo, 2 - vozovka, 3 - symetrické rozdělení světla, 4 - asymetrické rozdělení světla
Druhy světlometů U soudobých vozidel se požívají tyto druhy světlometů: - parabolické světlomety, - elipsoidní světlomety, - světlomety s volnou plochou, - kombinace elipsoidního světlometu a světlometu s volnou plochou.
Paraboloidní světlomet Doposud nejrozšířenějším tvarem odrazové plochy optického systému světlometu je rotační paraboloid, vznikající rotací paraboly kolem její osy. Pokud má odrazová plocha přesný tvar a bodový zdroj světla je umístěn přesně v ohnisku paraboloidu, vystupuje ze světlometu svazek paprsků světla rovnoběžných s osou paraboloidu. Změnou polohy zdroje vůči ohnisku lze dosáhnout různého rozdělení světla ve světelném kuželu. Dalšího zlepšení rozložení světla se dosahuje vhodným tvarováním krycího skla celého světlometu a případně i cloněním vlákna zdroje v určitém prostorovém úhlu. Podle požadavků na rozložení světla bývá na krycím skle i více odlišných polí s rozdílným charakterem působení v příslušných směrech.
Obr. 7 Reflektor světlometu vytváří paralelní světelné paprsky a rozptylové sklo vytváří požadovaný výstup světla 1 -žárovka, 2 - reflektor, 3 - rozptylové sklo
Obr. 8 Dálkové světlo (vlevo) a tlumené světlo (vpravo) 1 - vlákno pro tlumené světlo, 2 - clona, 3 - spirála pro dálkové světlo v ohnisku
Elipsoidní světlomet Rotací elipsy kolem její delší osy vzniká rotační elipsoid s dvojicí ohnisek, ležících na této ose. Na rozdíl od paraboloidu je elipsoid plochou uzavřenou, a proto jako odrazové plochy může být využito pouze jeho části, teoreticky jedné poloviny. Vzhledem k tomu, že při umístění světelného zdroje do ohniska této plochy dochází k soustřeďování paprsků do druhého, fiktivního ohniska, musí být optický systém elipsoidního světlometu vždy doplněn o čočku nebo soustavu čoček, zaručujících usměrnění světelných paprsků do výstupního světelného kužele potřebného tvaru a vlastností. Světlomety elipsoidní jsou oproti parabolickým podstatně menšího vnějšího průměru, přičemž však narůstá jejich konstrukční a montážní délka. To však plně vyhovuje vývojovému trendu karosářského designu. Svým principem se elipsoidní světlomet podobá optickému systému diaprojektoru, a proto se mu také říká světlomet projekční. Elipsoidní světlomety jsou při použití vhodné clony mezi odrazovou plochou a čočkou obzvláště výhodné pro tlumené a mlhové světla.
Obr. 9 Princip zobrazovací optiky projekčního světlometu
Světlomet s volnou plochou Světlomet s volnou plochou má plochu reflektoru volně vytvořenou v prostoru (není to symetrický prostorový útvar). Jednotlivé segmenty osvětlují různé části vozovky. Tímto způsobem se může pro tlumné světlo využít prakticky celá plocha reflektoru. Návrh se provádí pomocí výpočetní techniky a plochy jsou uspořádány tak, že světlo ze všech spodních segmentů je odráženo na vozovku. Ohyb světelných paprsků a rozptyl světla se vytváří přímo pomocí ploch reflektoru. Proto se může použít čisté krycí sklo bez optických elementů. To kromě efektního vzezření odstraňuje ještě jeden problém. U některých soudobých vozidel je plocha krycího skla skloněna natolik, že by bylo prakticky nemožné použít ji pro usměrnění světelných paprsků.
Kombinované světlomety Kombinované světlomety (elipsoid a volná plocha) jsou projekční systémy, u kterých je plocha reflektoru navržena technologií volných ploch. Reflektor zachycuje co možná nejvíce světla od zdroje. Zachycené světlo směřuje tak, aby co možná nejvíce dopadalo přes clonu na čočku (objektiv). Světlo je reflektorem směrováno tak, že ve výšce clony vzniká rozdělení světla, které čočka (ohnisko) promítá na vozovku.
SVĚTLOMETY S XENONOVÝMI VÝBOJKAMI Moderní design vozidla předpokládá kompaktní světlomety pro ploché čela vozidel. Systém světlometů "Litronic" (Light-Electronics) s xenonovou výbojkou plní požadavky jak na druh světla a jeho intenzitu, tak i z pohledu kompaktní konstrukce. Protože nedochází k náhlému výpadku jako u žárovek s vláknem, je možná včasná diagnóza a náhrada. Osvětlení vozovky je podstatně lepší než halogenovými žárovkami (obr. 10). Světlomety Litronic mají v porovnání k halogenovým světlometům vyšší světelný tok se specificky přizpůsobeným rozdělením svítivosti. Tím jsou lépe viditelné okraje vozovky. V obtížných jízdních situacích a při špatném počasí je podstatně zlepšená jak viditelnost tak i orientace. Ve smyslu požadavku podle předpisů se světlomety Litronic vždy kombinují s automatickou regulací vertikálního sklonu světlometů a čisticím zařízením světlometů, které společně zaručují optimální využití dalekého dosvitu a opticky bezvadný světelný výstup. Přiložením zápalného napětí (do 25 kV) se mezi elektrodami výbojky vytvoří elektrický oblouk, který ionizuje plyn. V přívodem střídavého proudu (cca 400 kHz) se vypařují kapalné a tuhé plnící látky a přitom vyzařují světlo. Světelný tok výbojkové lampy D2S je prakticky dvakrát tak větší než u halogenové žárovky (Hl). Provozní napětí činí cca 85 V a příkon 35 W. Pro zapálení, provoz a ke kontrole výbojkové lampy se používá elektronický předřadný přístroj.
Skládá se ze zápalného zařízení a elektronické řídicí jednotky. Zápalné zařízení dodává vysoké napětí potřebné k zapálení výbojky. Elektronická řídicí jednotka řídí zásobování proudem v náběhové fázi a v stacionárním provozu seřídí hodnoty na výkon výbojky 35 W.
Obr. 10 Rozdělení světla v úrovni vozovky: a - projekční světlomet se žárovkou, b - projekční světlomet Litronic s výbojkou D2S Světlomety s výbojkami se přednostně zavádějí pro tlumená světla v tzv. čtyřreflektorovém systému, kombinované s dálkovými reflektory klasické konstrukce (obr. 11). K dispozici jsou různé optické systémy. Obr. 11 Čtyřreflektorový systém Litronic (Bosch): 1 - palubní napětí, 2 - elektronická řídicí jednotka, 3 - zapalovací zařízení s přípojkou pro výbojku, 4 - reflektorová optika s výbojkou pro tlumené světlo, 5 - halogenové dálkové světlo
Projekční světlomety (obr. 12) Jak již bylo výše uvedeno, podobá se konstrukce světlometu diaprojektoru. Pokud v případě diaprojektoru sestává objekt z diapozitivu samotného, u světlometu ho tvoří reflektorem vytvořený rozptyl světla a hrana clony. Tato hrana vytváří pro tlumené světlo potřebnou hranici světla a tmy. Obr. 12 Systém Litronic v projekčním světlometu 1 - čočka 2 - výbojka 3 - konektor 4 - zapalovací zařízení 5 - řídicí jednotka
Reflexní světlomety Když jsou pro výstup světla k dispozici větší plochy, může být Litronic proveden též jako reflexní světlomet. Značně větší plocha pro výstup světla je charakteristická rozptylovým polem, které je integrováno do uzavíracího skla světlometu, nebo leží na jeho vnitřní straně. Pro tlumené světlo se používá výbojka, která je pro vytváření hranice světla a tmy vybavena stínovými pruhy (obr. 5). Pomocí speciální výbojky se může realizovat také velmi účinný dálkový světlomet (obr. 13). Obr. 13 Systém Litronic 4 (Bosch) v reflexním světlometu: 1 – uzavírací rozptylové sklo, 2 - výbojková lampa, 3 - konektor, 4 - zapalovací zařízení, 5 – řídicí jednotka
Bi-Litronic Zvláštní polohu zaujímá bifunkční Bi-Litronic. Je produktem vývoje firmy Bosch a spočívá na reflexním principu. Řešení dovoluje pomocí pouze jedné výbojky vytvářet tlumené i dálkové světlo. K tomu při přepnutí přepínače pro dálkové/tlumené světlo uvádí elektromagnetický stavěcí člen výbojku v reflektoru do dvou různých poloh (obr. 14), které určí výstup světelného toku pro dálkové nebo tlumené světlo. Na obr. 15 je pak projekční typ Bi-Litronics světlometu, kde je elektromagneticky ovládaná clona. Obr. 14 Bifunkční Litronic „Reflexion" 1 - tlumené světlo 2- dálkové světlo
Obr. 15 Bifunkční Litronic „Projektion" 1 - tlumené světlo 2 - dálkové světlo
REGULACE DOSAHU SVĚTLOMETŮ Regulace dosahu světlometů (regulace sklonu světlometů) má při všech stavech zatížení vozidla zabezpečit stálý dobrý dohled bez oslňování protijedoucích vozidel tím, že úhel sklonu tlumeného („potkávacího") světla se přizpůsobí příslušnému stavu zatížení vozidla. Tato regulace může být ruční nebo automatická. Automatická regulace sklona světlometů je v protikladu k ručně ovládané verzi ještě bezpečnější a jistější, protože nastavení řidičem je subjektivní a kromě toho se může lehce zapomenout. Pro vozidla s výbojkovými světlomety je zákonem předepsána automatická regulace dosahu světlometů.
Obr. 16 Dosah světla na rovné vozovce bez regulace sklonu světlometů: a - při jízdě stálou rychlostí bez užitečného zatížení, b - při zrychlení nebo s větším zatížením vzadu, c - při brždění Při automatické regulaci sklonu světlometů se rozlišuje mezi statickými a dynamickými systémy. Statické systémy vyrovnávají užitečné zatížení v prostoru pro cestující a v zavazadlovém prostoru, dynamické systémy korigují dodatečně sklon světlometů při rozjezdu, akceleraci a brždění. Statický systém. Mimo signálů z nápravových snímačů přijímá řídicí jednotka rychlostní signál z elektronického tachometru nebo z řídicí jednotky ABS. Pomocí tohoto signálu systém určí, zda-li vozidlo stojí, pohybuje se nebo jede stálou rychlostí. Statický automatický systém pracuje vždy s velkým útlumem, tzn. že vyreguluje pouze dlouho přetrvávající náklony karosérie. Dynamický samočinný systém zabezpečuje optimální polohu světlometů v každé jízdní poloze, protože funguje ve dvou provozních režimech. Na rozdíl od statické regulace sklonu světlometů rozpozná i akcelerace a brždění. Při jízdě stálou rychlostí zůstává jak dynamický systém, tak statický systém v režimu s velkým tlumením. Když se rozpozná akcelerace nebo brždění, přepne se systém okamžitě do dynamického režimu. Zkrácené vyhodnocení signálů umožňují přizpůsobení sklonu světlometů za zlomky sekundy. Tak má řidič vždy správný dohled, aby mohl přehledně řešit příslušnou dopravní situaci. Po ukončení akcelerace nebo brždění se systém automaticky přepne opět do pomalého režimu. Ke komponentům dynamické samočinné regulace sklonu světlometů patří (obr. 17): - snímače na nápravách vozidla, které velmi přesně zachytí úhel náklonu karosérie; - elektronická řídicí jednotka, která ze signálů snímačů propočte úhel náklonu karosérie a tento porovná s předvolenou hodnotou. Při odchylce vyšle příslušné aktivační signály na servomotory. - servomotory, které provedou přesné nastavení světlometů.
Obr. 17 Principiální zobrazení dynamické samočinné regulace sklonu světlometů: 1 - světlomet, 2- servomotor, 3 - snímač světlé výšky na přední nápravě, 4 - vypínač světel, 5 - elektronická řídicí jednotka, 6 - snímač světlé výšky na zadní nápravě, 7 - snímač otáček kola, 8 - užitečné zatížení
ADAPTIVNÍ SVĚTLOMETY Podle odborných studií klesá vizuální vnímavost v noci a při nedostatečném osvětlení až na pouhá 4 procenta, přitom však 90 procent všech informací potřebných pro řízení vozu přijímá řidič právě prostřednictvím zraku. Proto hraje pro bezpečnost provozu za špatných světelných podmínek mimořádně důležitou roli světelná technika automobilů. Podmínky na silnicích jsou často velmi proměnlivé. Pro eliminaci nepříznivých vlivů, ale také pro zvýšení bezpečnosti byly vyvinuty systémy označované AFL (Adaptive Forward Lighting), či AFS (Advanced Front Lighting System). Moderní světlomety AFL používají vyspělé elektronické řízení a jejich uvedení na trh je rozděleno do dvou kroků. V současnosti je dovoleno pouze natáčení světlometů do zatáček, ale postupně by měla následovat druhá generace s doplňkovými funkcemi, jako je například adaptivní distribuce světla pro různé podmínky (špatné počasí, jízda na dálnici, apod.). Byly vyvinuty statické a dynamické systémy AFL světlometů. Statický systém je vhodný pro velmi úzké zatáčky, serpentiny, křižovatky a pro manévrování v těsných prostorech se špatnou viditelností kolem vozu. Jedná se většinou o přídavné postranní světlomety, které řídí elektronická jednotka na základě rychlosti jízdy, úhlu natočení volantu a zapnutí směrových svítilen. Systém pracuje při rychlostech do 70 km/h a při zapnutých tlumených světlometech. Obr. 18 Doplňkové postranní světlomety, A-tlumené světlomety, B-postranní světlomety
Dynamické řešení je nejvhodnější pro průjezd táhlými zatáčkami střední až vysokou rychlostí. Světlomet v projektorovém nebo reflektorovém provedení se natáčí kolem svislé osy až o 15°. Vše řídí elektronická jednotka začleněná do elektronické datové sítě vozu, z níž v reálném čase dostává průběžné informace o úhlu natočení volantu a rychlosti jízdy. Každý modul má svou řídicí jednotku a vlastní elektromotor – obr. 19.
Obr. 19 Konstrukce natáčecího světlometu AFS 1- ruční seřízení, 2 - svislá osa otáčení, 3 - velký rám, 4 - krokový elektromotor, 5 - bi-xenonový projektor, 6 - malý rám, 7 - horizontální osa otáčení.
Obr. 20 Aktivní natáčení světlometů A - systém AFL, B - konvenční tlumené světlomety Nesmíme opomenout ani podpůrné systémy nočního vidění Night Vision (obr. 21), založené na snímám infračerveného spektra záření. Získaný obraz se promítá prostřednictvím displeje HUD (Head-Up Display) na sklo čelního okna. Zdrojem infračerveného světla je halogenová žárovka ve dvoufunkčním projektorovém modulu, zvažuje se však náhrada halogenové žárovky infračervenými diodami LED. Obraz snímá infračervená kamera zabudovaná do vnitřního zpětného zrcátka.
Obr. 21 Systém Night Vision
