Rozjaśnić ciemność

inż. Mariusz Barański:

Od acetylenu do ksenonu

Historia oświetlenia samochodowego jest niemal tak długa jak historia samego samochodu. Co prawda, pionierski Benz Patent Motorwagen Nummer 1 z 1886 roku nie posiadał jeszcze żadnych świecących elementów, ale już pod koniec lat 80. XIX wieku na drogi wyjechały pierwsze automobile wyposażone w lampy acetylenowe. Jak łatwo się domyśleć, źródłem światła był w tym przypadku płonący acetylen, czyli gaz powstający w wyniku reakcji chemicznej karbidu z wodą. Z czasem lampy acetylenowe musiały jednak ustąpić miejsca skuteczniejszemu i znacznie wygodniejszemu w użyciu oświetleniu elektrycznemu, które po raz pierwszy pojawiło się u schyłku XIX wieku w pojazdach amerykańskiej marki Columbia. Na początku w lampach samochodowych stosowano żarówki jednowłóknowe. Dwuwłóknowe, mogące obsługiwać dwa rodzaje świateł pojawiły się w połowie lat 20. Były to klasyczne żarówki, mające wolframowy żarnik i wypełnione najczęściej argonem z domieszką azotu. Z taką budową wiążą się jednak ich podstawowe wady, czyli systematycznie obniżająca się wydajność i ograniczona trwałość. Wynikają one z tego, że wolfram paruje z żarnika i osadza się ściance bańki, powodując charakterystyczne zaczernienie. Z czasem żarnik staje się więc coraz cieńszy, aż w końcu się przepala. Takiego problemu nie mają żarówki halogenowe, które zaczęto stosować w oświetleniu samochodowym w pierwszej połowie lat 60. Podobnie jak wcześniej, ich żarnik jest wolframowy, jednak w przeciwieństwie do zwykłych żarówek bańkę wypełnia gaz szlachetny z domieszką jodu i bromu (czyli halogenów). Pierwiastki te łączą się z parującym wolframem, tworząc związki zwane halogenkami wolframu, które krążą w bańce i nie osadzają się na szkle. Najistotniejsze jest jednak to, że w pobliżu żarnika związki te ulegają rozpadowi. W efekcie wolfram odkłada się z powrotem na żarniku, natomiast halogen przemieszcza się w kierunku ścianki bańki. Proces ten zwany jest halogenowym cyklem regeneracyjnym. Dzięki temu żarówka halogenowa przez cały okres eksploatacji emituje taki sam strumień świetlny i charakteryzuje się dłuższą trwałością niż klasyczna żarówka. Kolejnym istotnym wydarzeniem w historii samochodowego oświetlenia było pojawienie się lamp ksenonowych. Miało to miejsce na początku lat 90., a pierwszym autem wyposażonym w takie rozwiązanie było BMW serii 7 (E32). Lampa ksenonowa zbudowana jest z dwóch elektrod, zamkniętych w szklanej bańce wypełnionej gazem szlachetnym, którym, jak łatwo się zresztą domyślić, jest ksenon. Po przyłożeniu napięcia rzędu kilkudziesięciu tysięcy woltów pomiędzy elektrodami powstaje łuk elektryczny. Gdy już on się wytworzy, napięcie zostaje obniżone do wartości kilkudziesięciu woltów - tyle w zupełności wystarcza do podtrzymania łuku. To właśnie pod jego wpływem zaczyna świecić ksenon wypełniający bańkę, a wytworzone w ten sposób światło oświetla drogę przed samochodem. Zgodnie z wymogami lampy ksenonowe muszą być wyposażone w układ samopoziomowania oraz spryskiwacze. Jednak jakiś czas temu niektórzy producenci zaczęli stosować „ksenony” o mniejszej mocy, które zgodnie z prawem nie muszą być wyposażone w powyższe systemy. Z takim rozwiązaniem spotkamy się np. w aktualnym Citroënie C4 Picasso. Na początku lampy ksenonowe obsługiwały jedynie światła mijania, natomiast za światła drogowe odpowiedzialne były zwykłe halogeny. Później pojawiły się także lampy biksenonowe, odpowiedzialne za obydwa rodzaje świateł.

Epoka LEDowa

W ostatnich latach furorę w motoryzacji robią niepozorne LED-y (skrót od Light Emitting Diode). Początkowo stosowano je w lampach tylnych, światłach do jazdy dziennej i kierunkowskazach. Przełom nastąpił w 2006 roku, kiedy to Lexus zaprezentował Lexusa LS czwartej generacji - pierwszy samochód wykorzystujący LED-y w światłach mijania. Dwa lata później Audi zaoferowało reflektory wykonane całkowicie w technologii LED jako wyposażenie opcjonalne do swojego supersportowego modelu R8. Jednak to, na co kiedyś mogli pozwolić sobie jedynie wybrańcy, dzisiaj jest dostępne dla zdecydowanie szerszego grona ludzi. Obecnie w pełni diodowe reflektory można zamówić nawet do Seata Leona. W przypadku tej technologii każdy rodzaj świateł obsługują zespoły LED-ów. Pojedyncza dioda składa się z półprzewodnika zamkniętego w przeźroczystej, plastikowej obudowie z soczewką. Światło emitowane jest tutaj na drodze elektroluminescencji. Polega to na tym, że pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony w półprzewodniku przemieszczają się z wyższego na niższy poziom energetyczny, czemu towarzyszy uwolnienie energii w postaci światła. Jego intensywność zależy od wartości doprowadzonego prądu, natomiast kolor od materiału, z którego zbudowany jest półprzewodnik. Jedną z zalet LED-ów są ich niewielkie rozmiary pozwalające na projektowanie świateł mniejszych niż kiedyś i mających dodatkowo naprawdę fantazyjne kształty, coraz częściej charakterystyczne dla konkretnej marki. W niektórych przypadkach można ją zidentyfikować nawet na podstawie wzoru utworzonego przez świecące diody. Świetnym przykładem jest tutaj tzw. „młot Thora”, typowy dla najnowszych modeli Volvo i sprawiający, że także po zapadnięciu zmroku da się z łatwością rozpoznać, jaki samochód zbliża się w naszym kierunku. Do zalet świateł LED zaliczyć należy także niewielką wrażliwość na drgania, hermetyczną budowę zapewniającą odporność na wilgoć, a także krótki czas włączania. Są również o wiele trwalsze niż dotychczasowe źródła światła stosowane w samochodach. Natomiast dość dyskusyjną kwestią w przypadku LED-ów jest niższy pobór prądu w porównaniu do żarówek i „ksenonów”. Co prawda, do samego świecenia LED-y potrzebują mniej energii niż inne źródła światła, tyle że reflektory wykonane w tej technologii mają pewną specyficzną cechę. Mianowicie, intensywnie nagrzewają się w tylnej części, natomiast z przodu pozostają chłodne. Niestety, w czasie pracy szkodzi im zarówno zbyt wysoka, jak i zbyt niska temperatura. Dlatego też wymagają odpowiednich systemów chłodzących tył lampy oraz podgrzewających jej szybę (co jest istotne przede wszystkim w zimie), które również wymagają poboru energii, a to z kolei sprawia, że jej ostateczny bilans nie jest aż tak korzystny, jak się powszechnie uważa.

Laser w służbie motoryzacji

Szczytowym osiągnięciem techniki oświetlenia samochodowego są na chwilę obecną reflektory laserowe. Dla uściślenia, laser odpowiada w nich za obsługę świateł drogowych. Produkcyjną wersję tego rozwiązania po raz pierwszy zastosowały dwie niemieckie marki premium: Audi (jako seryjne wyposażenie limitowanego do 99 egzemplarzy R8 LMX) oraz BMW (jako opcja do i8). Miało to miejsce w 2014 roku. Dzisiaj reflektory z technologią laserową można zamówić również do najnowszego BMW serii 7. Obecnie producent z Monachium jest rynkowym monopolistą w tej dziedzinie, gdyż nikt poza nim nie oferuje takiej innowacji. Mimo niszowego charakteru, reflektorom laserowym warto przyjrzeć się bliżej. BMW twierdzi, że mają one praktycznie same zalety. Zgodnie z deklaracjami, zastosowanie lasera pozwoliło na uzyskanie strumienia świetlnego o intensywności dziesięciokrotnie wyższej niż w przypadku dotychczasowych źródeł światła. Imponujący jest tutaj także zasięg oświetleniowy, wynoszący nawet 600 metrów. Lampy laserowe charakteryzuje również znakomita wydajność, pozwalająca na redukcję zużycia energii o nawet 30% w stosunków do LED-ów. Warto wspomnieć też o tym, że reflektory laserowe mają stosunkowo niewielkie rozmiary i są dość lekkie, co sprawia, że zajmują niedużo miejsca i przyczyniają się do obniżenia ogólnej masy samochodu. Przykładowo, powierzchnia elementu emitującego światło laserowe jest znacznie mniejsza niż w przypadku LED-a. Dzięki temu lampa laserowa wymaga o wiele mniejszego odbłyśnika. W przypadku BMW i8 ma on średnicę poniżej 30 mm. Dla porównania lampa ksenonowa, by uzyskać odpowiedni dla swej technologii zasięg i strumień światła, potrzebuje odbłyśnika o średnicy około 70 mm, zaś lampa halogenowa - około 120 mm. Najważniejszym elementem reflektora laserowego jest oczywiście moduł laserowy, wytwarzający zwarty strumień monochromatycznego, niebieskiego światła. Dzięki specjalnym soczewkom jest ono kierowane na fluorescencyjną substancję fosforową, która przekształca je w niezwykle intensywne białe światło, emitowane przez szybę reflektora i oświetlające drogę przed samochodem. Lampy laserowe są dodatkowo wyposażone w system automatycznej kontroli zasięgu, utrzymujący strumień światła na z góry ustalonym poziomie, niezależnie od obciążenia auta. Zastosowano tutaj również układ chroniący przed oślepianiem innych użytkowników drogi, którego działanie oparte jest na kamerze. Z kolei integralny, wielopoziomowy system zabezpieczający zapewnia ochronę przed jakąkolwiek „nieszczelnością” promieniowania laserowego. Ponadto, BMW zapewnia, że reflektory laserowe są trwałe i niezawodne, nawet w ekstremalnych warunkach. Jednak na razie o zaletach tej technologii mogą się przekonać jedynie majętni wybrańcy. Tak naprawdę trudno się temu dziwić. Wszelkie innowacje w pierwszej kolejności zawsze trafiają do topowych modeli samochodów, o których zwykli ludzie mogą tylko pomarzyć i dopiero z czasem ulegają upowszechnieniu. Można się spodziewać, że podobnie będzie i w tym przypadku.