«Химия» света: как устроена система освещения автомобиля

Парафин, масло, ацетилен

Возник автомобиль – появилась необходимость пользоваться им в темное время суток. Поначалу обходились обычными свечами, затем сжигали для освещения масло. Но даже с отражателем, установленным позади пламени, свечение было недостаточным. Не помог и керосин в качестве горючего: много копоти, мало света. А скорости росли, автомобилей на дорогах становилось больше, и в конце XIX века возникла потребность в устойчивом и ярком головном свете. Тут же сформировалось предложение: французский авиатор и изобретатель Луи Блерио в 1896 году запатентовал ацетиленовую лампу и генератор. На белый порошок CaC₂ (карбид кальция) из специального резервуара на автомобиле капала вода, выделялся ацетилен, который и горел в лампе. Лучшие ацетиленовые фары в начале прошлого века могли освещать дорогу на 300 м!

Явные минусы такой системы освещения – малое время работы на одной зарядке (до 4–5 часов), отходы в виде едкой щелочи и необходимость регулярно очищать фары от копоти.

Углерод, вольфрам, галогены

В 1872 году наш соотечественник, электротехник Александр Николаевич Лодыгин предложил лампу накаливания на основе тонкого угольного стержня. Ее минусом оказалась крайняя недолговечность – нить накаливания из углерода перегорала, и в 1908 году уголь заменили тугоплавким вольфрамом. Патент на использование вольфрама в лампах принадлежит именно Лодыгину, который продал его в начале XX века компании General Electric.

Принцип работы лампы достаточно прост: при подводе электроэнергии вольфрамовая спираль накаляется и излучает свет. Все это проходит при температурах, на 700–800 °С ниже температуры плавления металла (3380 °С), что вызывает его испарение, а также реакцию с вездесущими парами воды. Эти процессы сокращают срок службы лампы накаливания. Проблема частично решается заполнением лампы инертным газом – в этой роли отлично выступают азот, аргон или криптон. Вольфрам с ними не реагирует, а молекулы газов достаточно велики, чтобы препятствовать испарению металла. В результате возрастает как время работы, так и светоотдача лампы. И революция в автомобилестроении не заставила себя долго ждать – в 1912 году Cadillac Model 30 Self Starter впервые в мире получает электрическое освещение. А спустя четыре года в Америке газовые фары были вытеснены электрическими почти со всех автомобилей.

Но скорости все росли, и промышленность нуждалась в более мощных лампах накаливания. Возникла необходимость поднять температуру нити вольфрама почти до максимальных 3380 °С. Но как? На помощь пришли галогены – йод и бром. Если эти вещества добавить в колбу, то температуру вольфрамовой спирали можно поднять почти до максимума. При этом стекло не темнеет, резко повышается светоотдача, и срок службы фары значительно продлевается. Причиной этого удивительного эффекта является «круговой процесс» галогенной лампы, или вольфрамово-галогенный цикл. Его в 1915 году открыл американский физикохимик и Нобелевский лауреат Ирвинг Ленгмюр. Галогены не могут предотвратить испарение вольфрама с горячей спирали, но способствуют тому, чтобы он не осаждался на внутренней стенке колбы. Вольфрам и галогены (бром или йод) на спирали образуют галогениды WHal₅ или WHal₆, которые в результате тепловой конвекции свободно перемещаются по лампе, не оседая на стекле. Галогениды вольфрама – это неустойчивые соединения, и при обратном попадании на раскаленную нить лампы разлагаются на металл и галоген. Для поддержания этого цикла наружная температура должна составлять 300 °С, именно поэтому колба лампы плотно облегает спираль, а само стекло является кварцевым

В итоге получился компактный, относительно долговечный и недорогой источник яркого света, который нашел применение в автотранспорте в 1962 году, когда Hella представила лампу Н1. И галогенные фары пока не собираются на покой – по прогнозу экспертов, к концу 2030-х годов половина машин все так же будет оснащена такими фарами как наиболее дешевыми и простыми. Однако есть и недостатки – низкий КПД (не более 10 % энергии переходит в световую), высокая температура лампы и чувствительность к тряске. Также колбу нельзя трогать руками – это приводит к помутнению стекла. Все это заставило инженеров и химиков искать новые способы освещения пути перед автомобилем.

Ртуть, ксенон, галогениды

54-й и 80-й элементы периодической системы Менделеева заняли свое место в автомобильной светотехнике недавно – в 1991 году, на представительских моделях BMW. Идея заключается в том, что лампу из тугоплавкого кварцевого стекла под высоким давлением (до 30 атм.) наполняют парами ртути и благородным газом ксеноном с излучающими добавками. Добавками являются галогениды металлов – йодиды натрия и скандия (NaI и ScI₂), которые отвечают в лампе за приближение спектра к белому цвету, комфортному для человека. Ртуть светится в электрическом разряде, поэтому ее место в лампе естественно. За основной световой поток фары отвечают именно эти компоненты, а ксенон необходим для быстрого первоначального розжига, так как любой газоразрядной лампе требуется время для выхода на полную мощность. Именно поэтому правильнее эти лампы называть не ксеноновыми, а металлогалогенными.

Но Xe и Hg даже с добавками самостоятельно светиться не способны, для этого необходим дуговой разряд. И вот тут перед конструкторами возникает проблема – как из 12-вольтовой бортовой сети автомобиля сформировать 28-киловаттный импульс, который «спровоцирует» свечение? Для этого служит блок розжига, который подает на лампу импульс переменного тока частотой до 400 Гц. Ксенон играет роль буфера, то есть пропускает через себя электрический ток, разогревает лампу, а ртуть и галогениды металлов из-за этого переходят в газообразную фазу. В результате образуется электрическая дуга, газы с парами ртути ионизируются, и фара излучает холодно-голубой свет. Система сложная, дорогая, но более яркого головного света фар пока не придумали. Металлогалогенные фары практически не реагируют на тряску автомобиля, нитей накаливания в них нет, так что и перегорают они редко. Однако есть и негативные стороны. По сравнению с другими типами фар, металлогалогенные загораются не мгновенно, а с небольшим запаздыванием, что затрудняет мигание ими. А использованные металлогалогенные лампы являются специальными отходами из-за наличия в них опасных паров ртути. Но прогресс все так же не стоит на месте, и несколько лет назад Hella представила модели D3 и D4, в которых ртуть заменена на безопасный йодид цинка (ZnI₂). Сейчас металлогалогенные лампы, которые неверно называются ксеноновыми, устанавливаются преимущественно на автомобили средней и верхней ценовой категории. Но их яркий свет уже повсеместно теснят светодиодные технологии.

Кремний, индий, галлий

Светоизлучающий диод, или светодиод (LED – light-emitting diode), – полупроводниковое устройство, преобразующее энергию электрического тока в световую. История светодиодов началась в 1907 году, когда радиотехник Генри Джозеф Раунд открыл эффект электролюминесценции. Для этого ему понадобился чистый кристалл карбида кремния SiC (карборунд), который светился при пропускании через него электричества. Отдельно стоит отметить, что в 1923 году молодой ученый Олег Лосев, работая в Нижнем Новгороде, фактически стал создателем действующего светодиода. Экспериментируя с контактом на базе пары «карборунд – стальная проволока», Лосев заметил, что при подаче тока «в месте контакта наблюдалось слабое зеленоватое свечение».

Дальнейшие исследования в течение XX века связаны с широким использованием различных типов полупроводников в качестве светодиодов. К примеру, к 1957 году основные усилия ученых направлены на изучение красного свечения кристаллов арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP). А в 1960–1962 годах Ник Холоньяк изготовил светящиеся в красной зоне спектра структуры на GaAsP – фактически первые серийные люминесцентные диоды. Cветодиоды, испускающие зеленый, оранжевый и желтый свет, появляются только в 1971 году, а по истечении более 20 лет Судзи Накамура при помощи SiC получает голубое свечение. Эти светодиоды и стали базой, на которой формируется белый свет автомобильных фар. Каждый такой LED покрыт люминофором, который испускает красные и зеленые фотоны, а они смешиваются с основным голубым светом. Все это в итоге и создает белое свечение.

В 90-е годы светодиодные технологии постепенно интегрируются в конструкцию автомобиля – в третьи стоп-сигналы. Но только в 2004 году светодиоды дальнего света появляются на представительском Audi A8, а спустя четыре года у Audi R8 уже все функции наружного освещения выполняют светодиоды. Такие фары на каждый ватт потребляемой энергии обеспечивают световой поток до 300 люменов, что обеспечивает КПД более 50 %. Светодиодные стоп-сигналы загораются мгновенно после нажатия педали тормоза, у них нет фазы разогрева, которая у галогенных фар может достигать 0,2 секунды. То есть идущий сзади автомобиль, в случае экстренного торможения переднего, остановится в среднем на 5 м раньше.

Количество светодиодов в фарах увеличивается. Сначала их было 10 (Audi A8), затем 24 (Mercedes-Benz CLS), сейчас 84 (грядущий Mercedes-Benz E-класса), а в перспективе – 1024 светодиода. Для чего это все сооружается? Прежде всего – для управления светом. Да, современные автомобили снабжаются адаптивными фарами, позволяющими автоматически управлять световым потоком. Постепенно отпадает необходимость переключать ночью дальний свет на ближний. Теперь машина сама с помощью оптических сенсоров распознает ситуацию на дороге и создает тень вокруг автомобиля, который движется впереди. К примеру, компания Volvo разработала опционную систему Active High Beam Control, где для затенения светодиодов служит маска, которая перемещается по фаре вслед за встречным автомобилем. Audi использует с недавнего времени более продвинутый матричный свет – Matrix LED. Большое количество светодиодов в фаре (25 штук, сгруппированных по пять) позволяет обойтись без маски, и тень на объектах впереди машины создается просто за счет приглушения света того или иного блока LED. Еще светодиодные матричные технологии позволяют по команде навигационной системы освещать изгиб дороги еще до поворота руля, ездить в странах с левосторонним движением без дополнительных настроек фар, выборочно освещать в темноте объекты на дороге, к примеру, пешеходов. Всего бортовая электроника комплекса Matrix LED может сгенерировать безумные 966 105 422 комбинации работы светодиодов! Головное освещение увязывается в единый комплекс с видеокамерами, датчиками освещенности, инфракрасными камерами и GPS-навигаторами. Безусловно, это все чрезвычайно усложняет устройство фары и делает ее очень дорогим компонентом (до 10 % стоимости автомобиля). Но, по мнению ученых и инженеров, к концу XXI века все иные источники света заменят светодиодами. А вот на роль самых совершенных фар современности претендуют лазерные.

 Иттрий, алюминий, церий

Из названия «лазерные фары» можно подумать, что в темноту перед автомобилем бьет луч лазера. Но это совсем не так! В таком случае встречные водители получили бы тяжелые ожоги сетчатки глаза. В чем же «химия» лазерных фар?

Схема проста: миниатюрный диодный лазер мощностью около 1,6 Вт генерирует чрезвычайно тонкие лучи синего цвета, которые через систему линз попадают на люминофор. Люминофор поглощает энергию лазера и испускает мощный пучок белого света. Именно этот свет и освещает дорогу ночью. Теперь о деталях. На данный момент в качестве светоизлучателя используется YAG-люминофор из иттрий-алюминиевого граната с небольшими примесями церия. На пластинку размером 0,5 × 0,5 мм наносится желтый порошок люминофора, который и служит мишенью для лазера. Здесь проявляется уникальная компактность лазерных источников света – при одинаковой светоотдаче такой фаре нужен отражатель диаметром 30 мм, в случае газоразрядной фары – 70 мм, а для галогенной фары – все 120 мм. Для предотвращения случайного облучения людей лазером в конструкции фар предусмотрены системы, которые в нештатной ситуации выключают свет.

Концепт-кары Audi prology и Prologue Avant оснащены, пожалуй, самым продвинутым на сегодня головным светом. Инженеры добавили в конструкцию лазерной фары еще одно промежуточное звено – DMD-матрицу (Digital Mircomirror Device). Это устройство пришло в автомототранспорт из мира проекторов и представляет собой микрочип, на котором собрано 420 тысяч подвижных микрозеркал. Размер каждого зеркала – несколько десятков микрон, а размер самой матрицы сопоставим со спичечным коробком. DMD-матрица через систему линз принимает пучок света от возбужденного люминофора и отражает его подвижными зеркалами на дорогу. Таким образом, две фары формируют световое пятно разрешением 840 тысяч пикселей, а так как зеркала матрицы могут изменять свое положение до 5000 раз в секунду, то появляется возможность очень точного управления головным светом автомобиля. Инженеры Audi добились того, что на дороге фарами можно проецировать любые рисунки, надписи и указатели. Такие лазерно-матричные фары способны освещать дорогу на недостижимые для других 600 м. При этом они крайне бережно относятся к электроэнергии и занимают минимум места под капотом. К сожалению, в серии такие фары появятся только через 12–15 лет.