1873

Фотометрия – наука, занимающаяся измерением этих величин. Фотометрические (световые) измерения разделяются на объективные, производимые с помощью приборов, не требующих участия глаза, например с помощью фотоэлементов, и субъективные, или визуальные, в которых измерения основаны на показаниях глаза.

Объективные (фотоэлектрические) измерения основаны на зависимости силы фототока от поглощённого фотоэлементами светового потока. Поэтому шкалу электроизмерительного прибора, соединённого с фотоэлементом, как правило, вентильным, можно градуировать непосредственно в тех или иных фотометрических единицах, например в люксах. В таком люксметре для согласования спектральной чувствительности фотоэлемента Vλ с функцией видности глаза используются фильтры. Погрешность таких люксметров 5–10 %. Кроме люксметров на фотоэлементах с запирающим слоем используют люксметры на фотосопротивлениях (главным образом в экспонометрах для фотографии), но для их работы необходим источник питания.

Визуальные измерения производятся непосредственно глазом. Наибольшее распространение имеют фотометры, служащие для сравнения освещённостей двух соприкасающихся поверхностей, освещаемых сравнимыми источниками.

Для достижения равенства освещённостей применяются разнообразные приёмы, ведущие к ослаблению освещённости, создаваемой более сильным источником. Это достигается: изменением расстояния от источника до фотометра, изменением поглощения фильтром переменной толщины (клином) и другими способами.

Более широкие задачи решает светотехника. Это задачи изменения и варьирования фотометрических величин. В рамках этой технической науки производят расчет и осуществление рационального освещения жилых помещений, общественных мест, производственных мест, производственных помещений, на транспорте и т.д.

Для целей освещения применяют разнообразные осветительные приборы, состоящие из источника света и осветительной арматуры. Осветительные системы (арматура) не могут увеличить полный световой поток, который является величиной, характеризующей источник. Однако они играют большую роль в перераспределении светового потока и концентрации его в нужном направлении.

Вообще, существуют две основные задачи светотехники, которые должны решаться при минимальных экономических и энергетических затратах:

1)создание равномерной освещенности на больших площадях, отвечающей нормам, ГОСТам и т. д.;

2)увеличение силы света по нужному направлению с соответствующим

82

уменьшением ее в других направлениях.

Решением этих задач создаются оптимальные освещенности на рабочих местах. В результате увеличивается производительность труда, улучшается качество продукции, сохраняется зрение работающих, уменьшается число несчастных случаев и т.д.

Вторая задача решается, в частности, в системах освещения и сигнализации автомобилей и дорожных машин.

Здесь необходимо решить сложную светотехническую задачу: для обеспечения и рентабельности перевозок в ночное время необходимо при относительно малой мощности источника света (< 90 Вт) c низкой световой отдачей (13,5 –23 лм/Вт) добиваться не только больших сил света в нужном направлении (150000 кд), но и распределения этого светового потока неравномерно. При этом для систем освещения нужно добиться требуемой дальности видимости в том или ином направлении и яркость, исключающую ослепление водителей встречных автотранспортных средств.

Приложения к главе 3

Приложение 3.1. Автомобильные лампы

Основными электрическими параметрами автоламп являются (ГОСТ

2023.1–88):

1. Номинальное напряжение (6, 12, 24 В).

Uн – такое напряжение, которое обеспечивает работу лампы и все характеристики, определенные для нее в ГОСТе .

2.Электрическая мощность P (Вт).

3.Расчетное напряжение Uр – наиболее вероятное напряжение, при котором лампа будет работать в течение ее срока службы. С учетом особенностей электрического режима работы аккумулятора для Uн=12 В; Uр= 13,5

В(для автолампы А 12 – 45+40).

К основным световым параметрам относятся:

1.Номинальный световой поток лампы Ф, лм (полный поток), при Uн. Допускается разброс 5 – 10 %.

2.Максимальная сила света Im, кд (средняя, по всем направлениям).

3.Яркость тела накала L (В, кд/м2).

Экономические и эксплуатационные параметры автоламп:

1.Световая отдача ламп H=Фν/Р, кд/м2, – основной параметр, характеризующий экономичность ее применения.

2.Средняя продолжительность горения (ч). Это результат испытания определенной выборки ламп при расчетном напряжении Uр. Для автоламп колеблется в пределах 200–500 ч.

3.Стабильность светового потока – это световой поток лампы, выраженный в процентах от начального значения, измеренный после 75 %-ной

83

средней продолжительности горения. Он должен быть, как правило, ≥ 75 % (кроме вакуумных ламп ≈ 60 %).

Обозначение ламп по ГОСТу (на цоколе), например, А12–45+40 означает: А – автомобильная (добавления: МН – миниатюрная, С – софитная, КГ

– кварцево-галогенная - АС, АМИ, АКГ), 12 – Uн, 45 + 40 – двухнитевая, 45, 40 – электрическая мощность Р. В табл. 3.5 приведены основные характеристики автомобильных ламп.

Таблица 3.5

Например, лампа А12–45+40 – двухрежимная лампа для головных фар: нить дальнего света – подковообразной формы, нить ближнего света – формы прямого цилиндра.

Особый класс ламп накаливания составляют галогенные лампы. Световая отдача обычных автомобильных ламп составляет 6–17 лм/Вт. Для увеличения ее надо увеличить температуру нити, но это быстро уменьшает срок службы. Можно продлить срок службы, если организовать в лампе так называемый “галогенный цикл”.

84

Лампа выходит из строя из-за испарения вольфрама нити, который осаждается на внутренних стенках колбы, уменьшая ее прозрачность и световой поток лампы. Нить утончается и быстро перегорает.

При введении в лампу галогенов (I2, Cl2, Br2) или их соединений (CH2Br2, CH3Br) в ней устанавливается цикл возврата частиц W с колбы на тело накала. Механизм (йодный цикл) заключается в следующем: при 250оС< to<1200оС пары I2 взаимодействуют с W на стенках колбы. При этом образуется летучее соединение WI2 , которое при to>1400оС опять разлагается на W и I2.

Эта температура реализуется на нити, где и осаждается вольфрам, а йод участвует в повторном цикле. Наличие возвратного цикла позволяет увеличить температуру нити ламп до 3000–3200оС. Поскольку необходимо, чтобы стенки были нагреты до 600–700оС, колбу таких ламп делают из оптического кварца. Нагрев кварцевой колбы в процессе эксплуатации до 600– 700 С создает большое давление йода и инертных газов, что замедляет испарение вольфрамовой нити.

Такие лампы обозначаются символом АКГ или H (H1, H2, H3 – однонитевые, H4 – двухнитевая). Очень простой должна быть конфигурация тела накала (цилиндр), чтобы осаждение происходило равномерно, а это неудобно с точки зрения конструирования фары (см. приложение 3.2).

Сегодня используются в основном галогенные двухнитевые лампы, а лампы с инертными наполнителями практически забыты. Главное преимущество галогенных ламп заключается в том, что их внутренняя поверхность со временем не темнеет. Светоотдача и долговечность таких ламп примерно в 2 раза выше по сравнению с обычными лампами. Кроме того, световая отдача йодных ламп не снижается за весь срок службы, тогда как в обычных лампах световая отдача постепенно снижается до 70 % от расчётной вследствие отложения вольфрама нити на внутренней поверхно-

85

сти колбы. Например, лампа категории R2 (такие используются в "жигулевских" фарах) при мощности 55/50 Вт (соответственно ближний и дальний свет) выдает световой поток в пределах 400–550 лм (люмен – единица светового потока), а близкая к ней по мощности галогенная лампа категории Н4 мощностью 60/55 Вт – в пределах 1000–1650 лм.

Не так давно в автомобильные фары стали устанавливать ксеноновые газоразрядные лампы. Они весьма надежны и обладают еще большей светоотдачей (при электрической мощности 35–40 Вт световой поток достигает 3200 лм, а световая отдача достигает 80 лм/Вт). Срок службы газоразрядных ламп – 1500 часов. Но чтобы они работали, автомобильных 12-ти вольт не хватает, нужны специальные электронные системы управления и преобразователи напряжения, дающие от 10 до 20 кВ. Подобные импульсы генерируются в катушке зажигания и получить их на автомобиле не столь уж большая трудность. Куда сложнее для поддержания возникшего разряда приложить к электродам лампы переменный ток частотой 300 Гц и напряжением 330 В. С появлением силовых полупроводниковых приборов проблема тем не менее была решена, и в ящичке массой около 0,5 кг разместили необходимый преобразователь энергии. Сначала в нем с помощью электронного устройства из постоянного тока напряжением 10–17 В получают постоянное же напряжение в 300 В, затем преобразуют его в переменное нужной частоты и, наконец, пропускают через устройство запуска, позволяющее иметь высоковольтный импульс поджига лампы. Сама же лампа D1 мощностью 35 Вт весит всего 15 г и немногим больше своей галогенной предшественницы.

Естественно, ксеноновая лампа, а точнее, преобразователь энергии для нее – вещь весьма и весьма дорогая.

Приложение 3.2. Конструкция и принцип действия головной фары автомобиля

Рассмотрим случай, когда наш осветительный прибор состоит только из источника – лампы накаливания с электрической мощностью Р = 90 Вт, световой отдачей Н = 20 лм/Вт. Тогда полный световой поток Ф = 1800 лм. Освещенность дороги на расстоянии 100 м от источника

Однако согласно основному закону освещенности E I cos , т. е. E~I,

R2

и, если можно создать высокую силу света в данном направлении (а не

среднюю, которая равна E Ф 143кд), то можно осветить дорожное по- 4

86

лотно до удовлетворяющих норм. Для этого необходимо перераспределить световой поток с помощью осветительной арматуры.

В головной фаре основной частью осветительной арматуры является параболическое зеркало 1, в фокусе которого устанавливается источник света. Если параболоид идеальный, а источник идеально точечный, то выходящий пучок лучей идеально параллельный. Так как I = Ф/ω, а ω → 0, то I → ∞. Такого, конечно, никогда не бывает, т.к. источник всегда имеет конечные размеры.

Тем не менее световой поток, падающий в апертуру отражателя Ф1=Iл·ω1, равен (если отражение идеальное, коэффициент отражения равен 1) потоку, выходящему из отражателя Ф2=I2ω2, т. е.

Iл 1 I2 2 ,

где Iл – сила света лампы; ω1 – угол охвата параболоида; I2 – сила света фары; ω2 – угол расхождения выходящих из параболоида световых пучков (рис.3.11). Все углы – телесные. Если ω2 достаточно мал (параболоид близок к идеальному, источник близок к точечному), то сила света в полезном направлении может быть весьма высока (до 150000 кд); ω1 – угол охвата параболоида должен быть как можно большим. Его проекция обычно составляет 240о. При этом 75 % светового потока от источника используется. Свет источника, исходящий в телесный угол ω= 4π – ω1 теряется бессмысленно (даже вреден), поэтому обычно ставят еще один отражатель 2

(см. рис. 3.11).

1

ω2

ω1 2

Δω

Рис. 3.11. Схема перераспределения светового потока

Итак, так как ω2 << ω1, то I2>>Iл и I2 ~ 1/ω2. Угол расхождения лучей ω2 пропорционален диаметру нити спирали лампы. Поскольку диаметр нити по вертикали 1–1,5 мм, по горизонтали 5–6 мм, то в результате параболоид выдает пятно в виде эллипса.

Окончательное светораспределение формируется рассеивателем, изготовленным из оптически прозрачного материала. На внутренней поверхности рассеивателя выполняются преломляющие элементы разной конфигурации, при помощи которых добиваются перераспределения сконцентрированного отражателем светового пучка по нужным направлениям (цилин-

87

дрические, сферические, эллипсоидные линзы). Так устроены смешанные системы (отражатель + рассеиватель).

В последнее время в связи с появлением термостойких пластмасс распространение получили чисто отражательные светооптические системы, в которых концентрация светового потока и его распределение по направлениям осуществляется отражателем сложной формы. Рассеиватель не нужен

– вместо него ставят только защитное стекло.

Иногда отражатель, рассеиватель и источник света объединены в неразъемную конструкцию, называемую лампа-фара. Ее преимущество состоит в том, что раскаленная спираль находится в большом объеме газа, и за счет этого лампа лучше охлаждается. Кроме того, лампы-фары герметичны, поэтому у них не портится зеркальная поверхность отражателя и не загрязняется рассеиватель. Однако когда такая лампа-фара перегорает, приходится менять ее целиком. Стоит же такое изделие в пять–семь раз больше самой дорогой галогенной лампы для обычных фар.

Расчет силы света фары для движения в ночное время суток

Система освещения для движения в ночное время суток должна решать две противоположные задачи:

1)обеспечить достаточную освещенность дороги на расстоянии ≥ Sост – остановочного пути;

2)исключить ослепление водителей встречных транспортных средств. Движение в темное время суток требует, чтобы дальность обнаружения

иопознания препятствий (определяемая дальним светом) была достаточ-

ной для своевременной остановки автомобиля. Из законов кинематики Sост ~ υ2, где υ – скорость автомобиля. Многочисленными экспериментами установлено, что необходимая для обнаружения препятствий освещенность Екр (критическая) достаточно точно определяется эмпирической формулой

Екр= 0,2 + 0,01 Sост (лк).

При Sост=100 м Екр= 1,2 лк, что в 10 раз больше, чем освещенность от полной Луны. Тогда необходимая сила света (Е=I/R2) составит I EкрSост2 .

Таким образом, I ~ Sост2~ υ4, а значит, I~ υ4.

Сила света фары пропорциональна 4-й степени скорости движения автомобиля. При движении со скоростью до 70 км/ч нас удовлетворяют фары, у которых суммарная (для всех фар дальнего света) сила света ≈ 40000 кд. Увеличение скорости до 110 км/ч может быть достигнуто при использовании дополнительных фар и фар-прожекторов при общей силе света ≈ 225000 кд. Они применяются лишь на специальных средствах передвижения и отключаются с переходом на ближний свет.

88

Комбинированная система ближнего и дальнего света

С другой стороны, для удовлетворительной адаптации глаз встречных водителей сила света должна быть меньше 1000 кд. Решаются эти две противоположные задачи, как известно, с помощью комбинированной системы ближнего и дальнего света путем разделения (временного) режимов освещения на два: дальнего и ближнего света. Это привело к техническому решению: созданию 2-нитевой лампы, одна из нитей которой располагается в фокусе отражателя для формирования сконцентрированного светового пучка, от которого создается пучок дальнего света, а другая – вне фокуса отражателя и при переключении на нее в момент разъезда встречных автомобилей отраженный расфокусированный, широкий пучок, снижающий освещенность на глазах водителей, обеспечивал бы режим ближнего света. Существует 2-фарное и 4-фарное исполнение этой конструкции. Во 2-м случае внешние фары двухнитевые, а внутренние – только дальнего света. Это позволяет последнюю фару исполнить более точно и эффективно.

Дополнительное перераспределение светового потока, как уже говорилось, осуществляется с помощью рассеивателя. На дороге (экране при регулировке) выделяют контрольные точки и зоны, освещенность которых должна быть разной, например, зона, опасная в отношении ослепленности встречных водителей; зона дорожного полотна, зона обочины и т.д. Элементы рассеивателя (линзы разных форм, призмы) дополнительно перераспределяют световые потоки, чтобы световой поток концентрировался в наиболее ответственных точках дороги и был отклонен от опасных с точки зрения ослепления встречных водителей.

В чисто отражательных системах новые термостойкие пластмассы дали возможность сделать отражатель весьма сложной геометрической формы – его назвали отражателем «с переменным фокусом». Доводка его конфигурации требует сложнейших компьютерных расчетов. Зато линзопризматический рассеиватель теперь отправили «в отставку», а стеклу фары, гладкому и прозрачному, осталась лишь защитная функция. Новые фары позволили раза в полтора повысить освещенность при малой высоте отражателя (95–105 мм), а потому прекрасно вписались в аэродинамические кузова современных автомобилей. Из отечественных машин первой обзавелась этими столь красивыми "глазами" новая "Нива" ВАЗ-2123.

89

«Ксеноновые» фары

При использовании в качестве источников света ксеноновых ламп, которые принципиально не могут быть двухнитевыми, так как они нитей не имеют, проблема дальнего и ближнего света возникла вновь. Так что же, ставить четыре фары с громоздкими и дорогими преобразователями? Известные фирмы "Бош" и "Хелла" нашли два, в сущности, похожих решения этой проблемы. В первом случае внутри фары размещают подвижный непрозрачный экран, управляемый соленоидом. При включении ближнего света экран опускается и отсекает часть светового потока, который мог бы ослепить водителей встречных автомобилей. Во втором – вдоль оптической оси фары с помощью того же соленоида перемещается сама лампа. Ее светящийся разряд попадает либо в точку, где должна бы находиться нить ближнего света, либо, напротив, дальнего. Процесс переключения длится всего 0,3 с, причем впечатление такое, будто освещенное пространство перед автомобилем плавно меняет свои очертания.

Новая фара имеет совсем другой, пока непривычный для нас вид. Фары дальнего света с ксеноновыми лампами (пока их выпускают небольшими партиями) уже стоят, например, на БМВ седьмой серии, "мерседесахW210" (рис. 3.12).

Световолоконные фары

От размеров и формы фар во многом зависит форма передний части кузова, а следовательно, и аэродинамика автомобиля. Значит, размеры фары влияют на коэффициент лобового сопротивления, т.е. косвенно и на расход топлива.

Специалистам отдела перспективных световых приборов НИИ автомобильной электроники удалось разработать фару, в которой световой пучок

90

формирует не рассеиватель, а специальная вставка из оптоволокна, на языке специалистов – факон. Условно можно считать, что этот волоконнооптический преобразователь на входе имеет сечение в форме окружности, а на выходе – такой же профиль сечения, какой должен иметь ”идеальный” световой пучок. Само оптоволокно, опять-таки условно, можно представить в виде множества микрокапилляров, по каждому из которых, ”изгибаясь”, проходит световой луч. В результате входящий свет ”расщепляется” на тысячи ”лучей”, каждый из которых проходит внутри волоконнооптического преобразователя своим маршрутом и превращается на выходе в световой пучок с заданной формой сечения. Поэтому у новой фары с оптоволоконным преобразователем (рис. 3.13) нет вообще рассеивателя как такового, вместо него обычная, относительно дешевая линза.

Главное достоинство приборов головного освещения ”оптоволоконного поколения” – близкое к идеальному светораспределение. Благодаря этому и при маломощном источнике света удается хорошо осветить дорогу – у водителя создается впечатление, что фары стали светить лучше. Даже с лампой мощностью 15 Вт удается получить требуемые характеристики светового потока при диаметре фары всего 46 мм, а если использовать лампы типа Н1, хватит и диаметра 36 мм. Применение дорогостоящей газоразрядной лампы типа D1 сократит необходимый диаметр фары до 15–20 мм. Но это еще не все: в конструкцию новой фары заложена возможность встроенной регулировки, так что фару можно устанавливать в кузов автомобиля без регулировочных зазоров. Еще одно преимущество фар с волоконнооптическим преобразователем: оптоволоконный элемент частично отфильтровывает инфракрасное излучение, рассеивая тепловой поток, а потому нагрев внешней линзы здесь сокращен до минимума. Благодаря этому новую фару можно изготавливать из устойчивой к абразивному износу пластмассы, например из полиметилметакрилата.

Наконец, последнее, о чем нельзя не сказать: новая конструкция обладает высокой степенью унификации. Ближний или дальний свет, противотуманные фары, приборы для мотоцикла, автомобиля или трактора – все будут иметь один и тот же отражатель, одну и ту же лампу типа Н1 или Н3 и даже, возможно, один и тот же унифицированный корпус.

Автоматическая коррекция светораспределения

В Германии еще с 1990 г. все выпускаемые автомобили обязали оснащать ручным корректором положения фар, дабы луч от тяжело груженной машины не светил в глаза встречным водителям. Однако большинство тех, кто имеет на передней панели ручку гидроили электрокорректора, редко им пользуется. Производители электроосветительных приборов пошли навстречу автомобилистам. Разработанный фирмой "Хелла" автоматический корректор фар представляет собой компактный блок с микропроцессором и

91