Разбираем исторический путь автомобильных фар

Автомобильная светотехника появилась практически одновременно с автомобилем. Первые фары перекочевали на машины с паровозов и были они газовыми. Работали они на ацетилене, который получался в результате смешения карбида кальция с водой. Алгоритм «включения», а точнее, розжига подобных фар был невероятно сложным и меньше всего напоминал привычный щелчок подрулевым переключателем. Помимо сложностей с розжигом подобных фар, что приходилось делать вручную, они недолго работали (один - два часа), требовали чистки от копоти и были небезопасны. В результате, в качестве тогдашнего аналога привычных задних габаритов часто применялся независимый фонарь на масляной или керосиновой горелке. И это в то время, когда электричество уже вовсю освещало дома и улицы - практически одновременно изобретенные лампы русского и американского инженеров Яблочкова и Эдисона разгоняли ночь и тьму на улицах городов не один десяток лет.

Несмотря на то, что Яблочков изобрел лампу накаливания чуть раньше, изобретение Эдисона оказалось куда более успешным и известным. Вот и для автомобилей было использовано изобретение именно Эдисона - первая автомобильная фара с лампой накаливания была изготовлена в 1899 году французской фирмой "Bassee & Michel". Ее сделали по модели Эдисона с угольной нитью. Первый блин получился комом: представленная фара оказалась мало пригодной для реального использования - угольная нить от тряски перегорала, а для ее питания требовались громоздкие и тяжелые аккумуляторные батареи, требовавшие регулярной подзарядки. Тогда автомобили еще не имели генераторов на борту, поэтому процесс этот был в целом ничем не проще, чем эксплуатация ацетиленовых фар.

Но теоретические плюсы использования электричества в качестве источника для освещения дороги не переставали занимать умы инженеров, особенно после появления в качестве зажигания магнето. Использовать его в качестве источника электрического тока для автомобильных фар было нельзя, однако, это был первый шаг к изобретению ставшего привычным генератора. После того, как в 1902-м году Роберт Бош предложил магнето высокого напряжения, прошло всего четыре года, как в 1906-м году одновременно появились сразу несколько разработок электрических фар.

Так, американская компания «General Electric» покупает патент на лампу накаливания с вольфрамовой нитью у русского инженера Александра Лодыгина. Это был первый серьезный успех: вольфрамовая нить давала куда более яркий свет и намного лучше переносила тряску. А компания Роберта Боша предложила набор "Bosch-Light", который позволил системе освещения работать по замкнутому циклу без зависимости от зарядных станций. "Bosch-Light" состоял из фар, генератора, аккумуляторной батареи и реле-регулятора для управления подзарядкой батареи. Система оказалась настолько удачной, что всего за год было продано более 3000 комплектов для установки на автомобили.

Однако изобретение «вменяемого» источника питания для электрических фар не совершило чуда - у первенцев инженерной мысли нашлась масса других проблем. В частности, они оказались слишком яркими, из-за чего ослепляли встречных водителей. Поэтому прежде чем в 1920-м году электричество полностью вытеснило устаревший газ, автомобильным инженерам пришлось совершить еще несколько технических революций. Окончательно электрические фары вытеснили устаревший ацетилен лишь после того, как были изобретены рассеиватели с призматическими линзами, отклоняющими свет вниз и лампочка с двумя нитями накаливания, для дальнего и ближнего света - изобретение компании Bosch в 1919-м году.

К 1924-му году автомобильные фары уже приобрели узнаваемый вид, однако, сигналы поворота еще долго оставались опцией: даже эксклюзивный Lincoln в 1924-м ими еще не обзавелся.

Любопытно, что первые «поворотники» вовсе не были световыми - это были семафоры. Выкидные флажки красного цвета сигнализировали о начале маневра. Со временем они приобрели лампочки, и их стало видно ночью. Но даже эта примитивная конструкция долго оставалась опцией: экономные автовладельцы предпочитали сигнализировать о поворотах жестами. Вытянул левую руку - поворачиваешь налево, согнул в локте - направо. Этот язык жестов сохранился и по сей день - к нему вынуждены прибегать водители в случае поломки автомобильной светотехники.

Автомобилестроители не стояли на месте, работая не только над фарами, но и над световым оснащением автомобиля в целом. Со временем появились вытянутые фары, их стали встраивать, а не прикреплять отдельно, однако, до следующей революции в автомобильном свете пришлось ждать долго - лишь в 1955-м французская фирма Cibie предложила асимметричное распределение ближнего света фар, при котором пассажирская фара светит дальше водительской. Одновременно с этим шли разработки, направленные на увеличение яркости и срока службы ламп накаливания.

Еще в начале 20-го века лампы начали заполнять смесью аргона и азота, который препятствовал испарению вольфрама. Но лишь в 50-е лампы стали заполнять галогенидами - газообразными соединениями йода и брома. В таких лампах галогенный газ вступал в соединение с испарившимся вольфрамом, а когда лампа нагревалась, эти соединения распадались на составляющие, и атомы вольфрама вновь оседали на спирали. Это были прототипы галогенных ламп.

На этот раз революция в автомобильном освещении наступила куда быстрее: первую «галогенку» на автомобильном рынке представила фирма «Hella» уже в 1962 году. Галогеновые лампы стремительно перешли из класса опции «для богатых» в «массы», став стандартом для головного света и оставив обычным лампам накаливания лишь небольшой спектр применения в других световых приборах автомобиля.

Со временем фары все больше встраивались в кузов, но еще долго оставались круглыми - Знаменитый автомобиль Citroen DS.

Производители автосвета тем временем изобретали и экспериментировали, создавали стандарты, улучшали характеристики ламп для тех или иных целей - противотуманные фонари, ближний и дальний свет, габариты, стоп-сигналы, указатели поворота...  в результате чего лампы оформились в несколько стандартных типов, которые и существуют по сей день. В свою очередь, внедрение термопластики позволило реализовать многие дизайнерские идеи, в том числе светотехнику, слитую в единую поверхность с кузовом, и блок-фары, соединяющие в себе сразу несколько осветительных приборов.

И вот, эксперименты с инертными газами и ртутными лампами не замедлили дать результат: следующая революция привела на смену галогенным лампам 54-е место в таблице Менделеева - ксенон. Интересно, что принцип работы ксеноновых, или металлогалогенных, ламп очень похож на давно забытые ацетиленовые фары. В них нет нити накаливания, а свет дает светящийся газ. Ксеноновая лампа представляет собой колбу, в которую под большим давлением закачана смесь инертных газов. В эту же колбу подведены два провода, дающие розжиг газа, образующего свечение.

Ксеноновые лампы включаются аналогично люминесцентным и другим газоразрядным. Для их поджига требуется специальная пуско-регулирующую аппаратура. При включении такой лампы сначала начинается газовый разряд в аргоне, который, легко ионизируясь, запускает электрическую дугу между электродами колбы. Ртуть и галогениды в выключенной лампе оседают в виде частичек на стенки колбы. Электрическая дуга мгновенно разогревает колбу и испаряет твердые частицы, и разряд продолжается уже в парах ртути и солей. В течение 1-2 минут температура существенно возрастает, как и яркость излучения разряда.

Хотя появились металлогалогенные лампы почти полвека назад, в автомобили в виде знаменитого ксенона они пришли не так давно. Из-за высокой температуры работы они имеют тенденцию изредка взрываться, поэтому инженерам пришлось хорошо поработать, прежде чем они попали в серийные автомобили.

Основное преимущество ксеноновых ламп - более мощное освещение при низком потреблении энергии. Они намного лучше пробивают завесу из тумана или дождя, освещая дорожное полотно, не подсвечивая при этом капли воды в воздухе.

С развитием технологий фары стали не только асимметричными, но и адаптивными: реагируя на поворот руля, фары научились освещать пространство сбоку автомобиля - светить туда, куда автомобиль повернет.

Несмотря на все преимущества, сочетание цена/эффективность/простота конструкции и эксплуатации оказалось не настолько поражающим воображение, чтобы ксенон смог полностью вытеснить галогенные лампы. К тому же прогресс не стоит на месте, и у «светлого ксенонового будущего» теперь есть серьезный конкурент - полупроводниковые источники света - светодиодные лампы. Со светодиодными лампочками мы знакомы давно - светодиоды уютно подмигивают из каждого телевизора, освещают ночью кухню зеленым светом с высоты холодильника, рассказывают о работе стиральной или посудомоечной машины. Они потребляют в сотни раз меньше энергии, но вот света до недавнего времени они давали все-таки маловато. Однако прогресс не стоит на месте, и светодиодные фонарики - это уже норма жизни, а еще недавно выглядевшие серьезными фонарики с другими источниками света уже выглядят допотопными. Но это лишь маленький пласт - светодиоды находят применение и в экранах, и в подсветке как помещений, так и целых зданий, и постепенно вытесняют люминесцентные лампы с улиц.

В автомобилестроении все началось с дневных ходовых огней, главная задача которых обозначить автомобиль на дороге в любое время года, в любую погоду. Светодиоды справились с этим на «отлично».

Стремительное удешевление производства светодиодов привело к тому, что сейчас светодиодами оснащаются практически все серийные автомобили. Теперь это не только элемент безопасности, но и дизайна. На рынке ДХО, где на данный момент лидирует Philips, идет жесточайшая конкуренция - производители борются за яркость, конструкцию и форму. Нам, потребителям, подобные битвы «титанов», конечно, крайне выгодны.

Сегодня светодиоды с успехом «добивают» оставшиеся кое-где в недрах автомобилей лампы накаливания. Теперь их можно видеть и на месте стоп-сигналов, и в качестве сигнала поворота и в виде подсветки салона. Но в качестве головного света до недавнего времени светодиодам было трудно конкурировать со своими предшественниками. Все дело в том, что изначально светодиоды выдают холодный монохроматический свет, который очень не любит человеческий глаз, рассчитанный на изобилие световых волн разной длины в поле зрения. В таком свете далеко не все воспринимается четко, к тому же свет у таких ламп выглядит мертвенным и неприятным, и очень быстро утомляет глаза. Нужное глазу разнообразие в свете дает люминофорное покрытие, через которое проходит свет. И, вот сейчас, наконец, инженерная наука дошла до того, чтобы сделать свет таких ламп приемлемым для человеческого глаза.

Цветовая температура современных светодиодов в среднем равна 5500 К, а излучаемый ими свет уже вполне приблизился к естественному освещению. Неоспоримое достоинство светодиодов - экономичность и ресурс. Штатные светодиоды не требуют техобслуживания и рассчитаны на весь срок службы автомобиля, а при включенном ближнем свете их потребление составляет 40 Ватт, что на 5% меньше по сравнению с бифункциональными ксеноновыми модулями, которые, в свою очередь экономичнее галогеновых ламп.

Автопроизводители всерьез оценили преимущества новичка - сейчас передовые компании работают над созданием головного света на основе этой технологии. На данный момент вырисовываются два пути использования светодиодов в фарах.

Один подход развивает Valeo. Французские инженеры разрабатывают комбинацию группы светодиодов с ксеноновой (биксеноновой) лампой. В такой фаре за ближний и дальний свет отвечает ксенон, а все остальные режимы (габаритное освещение, боковая подсветка, указатели поворотов) - светодиоды.

Второй подход - это применение в фарах группы светодиодов или светодиодной матрицы. В этом случае светодиоды размещаются в одном блоке и в зависимости от количества и мощности включенных элементов обеспечивают габаритные огни, указатели поворотов, дневной, ближний и дальний свет. В этом направлении двигаются инженеры Hella - революционера шестидесятых в вопросе головного света, и концерн Audi. Светодиодное будущее называется Audi Matrix LED и состоит в том, что дальний свет, излучаемый светодиодами, разделен на несколько отдельных сегментов. Часть светодиодов, работающих одновременно с линзами или отражателями, обеспечивают освещение неизменно высокого качества, при этом нет необходимости в поворотном механизме - вместо этого светодиоды по отдельности включаются, отключаются или «приглушаются». Эта новая технология дает инженерам и дизайнерам Audi огромные возможности при выборе количества светодиодов, схемы их расположения, а также размера и внешнего вида фар.

Немецкие инженеры с размахом подошли к решению вопроса: их технология Audi Matrix LED не заканчивается на простом переборе возможностей компоновки работы наборов светодиодов. Это действительно разработка из будущего: светодиодные фары Audi Matrix LED получают информацию для анализа от камеры, навигационной системы и датчиков других систем автомобиля. Когда камера распознает транспортные средства, дальний свет, разделенный на несколько зон, в определенных подзонах блокируется. Даже в сложных ситуациях фары могут освещать зоны между несколькими автомобилями.

Светодиодные фары Audi Matrix LED на Audi A8 приходят на смену ксенону.

Более того, фары Audi Matrix LED будут угадывать, что надо осветить на основе навигационных данных, меняя направление дальнего света в поворот еще до того, как водитель начнет вращение рулем. Такой дальний свет фактически ведет водителя по дороге. Еще одной функцией, полезной для таких стран, как Великобритания, является автоматическое переключение фар в режим левостороннего движения.

Светодиодные фары Matrix LED планируется выпустить в этом году. Более скромные полностью светодиодные фары уже сейчас доступны в качестве опции не только на премиальных моделях типа Audi A6, Audi A7 Sportback и Audi A8 в качестве опции (такая опция на Audi A6 стоит 152 334 руб.) и автомобилях конкурентах, но и на более массовых машинах. Примечательно, что другой автомобиль немецкого концерна - новый SEAT Leon тоже имеет светодиодные фары в списке опций.

Пока стоимость головного света будущего еще высока, но уже очевидно: хотя ксенон еще актуален, следующая ступень развития светотехники - светодиоды.

Текст: Роман Харитонов, Наталья Парамонова