سیستم روشنایی چراغ جلو – بخش 1

وظیفه،انواع و اجزا سیستم روشنایی

همانطور که در مقالات گذشته نیز ذکر شد امروزه سیستم‌های الکتریکی یکی از مجموعه‌های غیرقابل‌ تفکیک از خودرو به شمار می‌روند که روزبه‌روز کاربرد آنها بیشتر نیز می‌شود. سیستم روشنایی چراغ جلو یکی از زیر مجموعه‌های مهم در سیستم روشنایی به شمار می‌رود. نحوه روشن‌کردن مسیر، نحوه پراکندگی نور، امکان ایجاد دید مناسب برای راننده در حین رانندگی باعث تسلط بیشتر راننده روی هدایت کنترل شده و در نتیجه کیفیت رانندگی را افرایش می‌دهد. در این مقاله سیستم روشنایی چراغ‌های جلو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

وظیفه و تاریخچه

دید کامل و واضح بر مسیر حرکت یکی از نکات مهم و ضروری در هر رانندگی است. سیستم روشنایی چراغ جلو تأمین این هدف را بر عهده دارد. چراغ‌های جلو از نوع الکتریکی در دهه 1910 میلادی روی خودروها قرارگرفتند. بر اساس مستندات، شرکت بیوک اولین‌بار چراغ جلو الکتریکی را روی خودروهای خود استفاده کرد.
جالب است بدانید قبل از آن خودروها از گاز یا روغن استیلن برای روشن‌کردن شمع داخل چراغ جلو استفاده می‌کردند. شکل 1 این مورد را نشان می‌دهد.

سمت چپ: فورد مدل T دهه 1900 سمت راست: چراغ جلو با روغن استیلن
شکل 1- استفاده از چراغ جلو با گاز یا روغن استیلن

انواع سیستم چراغ جلو

مجموعه چراغ جلو را می‌توان به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد شکل 2 نموداری از برخی روش‌های دسته‌بندی متداول را نشان می‌دهد.

شکل 2- برخی از روش‌های دسته‌بندی چراغ جلو

جهت نور (هدایت نور)

یکی از معروف‌ترین دسته‌بندی چراغ‌های جلو روش دسته‌بندی جهت نور است. اصطلاح نوربالا و نور پائین عباراتی هست که برای بیان جهت نور  استفاده می‌شود.

شکل 3- مقایسه نوربالا و پایین

همانطور که در شکل 3 ملاحظه می‌شود در وضعیت نور پایین، شعاع نور سمت پایین هدایت می‌شود اما بر خلاف نام‌گذاری نوربالا، این نور به سمت بالا هدایت نمی‌شود بلکه تقریباً به‌موازات سطح جاده هدایت می‌شود. به‌صورت استاندارد برای روشن‌کردن فاصله‌های نزدیک‌تر از 40 متر از نور پایین و برای روشن‌کردن فاصله‌های دورتر تا حدود 100 متر از وضعیت نوربالا استفاده می‌شود. (شکل 4)

شکل 4- مقایسه نور پایین و نوربالا از نظر مسافت

موقعیت چراغ جلو در خودرو و چیدمان آن

چراغ‌های جلو در خودروها به روش‌های مختلفی قرار داده می‌شود. همانطور که در نمودار شکل 2 بیان شد امروزه سه مدل نسبت به سایر مدل‌ها متداول‌تر است. شکل 5 این سه مدل را نشان می‌دهد.

شکل 5- الگوهای متداول محل قرارگرفتن چراغ جلو

علاوه بر نحوه چیدمان چراغ‌های جلو فاصله چراغ‌ها با یکدیگر و نسبت به سطح جاده نیز اهمیت دارد. شکل 6 یکی از استانداردهای این فواصل را که توسط شرکت Hella معرفی شده است را نشان می‌دهد.

شکل 6- استاندارد فواصل مجموعه چراغ جلو

اجزا اصلی چراغ جلو

به‌صورت کلی حداقل از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود. شکل 7 این اجزا را نشان می‌دهد.

1- شیشه 2- لامپ 3- کاسه چراغ
شکل 7- اجزا عمومی چراغ جلو

1-عایق‌بندی 2- لامپ 3- کاسه چراغ (رفلکتور) 4- لنز 5- شیشه جلو
شکل 8- اجزا چراغ جلو

لامپ چراغ جلو

همانطور که در شکل‌های 7 و 8 نشان‌داده‌شده است یکی از اجزا اصلی مجموعه چراغ جلو لامپ است. وظیفه لامپ، ایجاد چشمه نور در مجموعه چراغ جلو است. چندین نوع لامپ برای چراغ‌های جلو استفاده می‌شود. شکل 9 لامپ‌های متداول برای چراغ جلو را نشان می‌دهد.

شکل 9- لامپ‌های متداول برای چراغ جلو

لامپ‌های ساده مدت‌هاست که روی خودروها به‌عنوان لامپ چراغ جلو استفاده نمی‌شود. در این لامپ‌ها اتلاف انرژی حرارتی بسیار بالا است. لامپ‌های هالوژن یا لامپ‌های گازی یکی از متداول‌ترین نوع لامپ‌ها برای خودروها به‌عنوان لامپ چراغ جلو به شمار می‌رود. شکل 10 اجزا داخلی این لامپ‌ها را نشان می‌دهد.

1- بدنه شیشه‌ای 2- مانع 3- فیلمان 4- بدنه فلزی 5- کانکتور
شکل 10- نوعی لامپ گازی (هالوژن)

لامپ‌های گازی داخل حباب لامپ از یک‌رشته تنگستن و گاز بی‌اثر و مقدار کمی هالوژن (مانند ید یا برم) استفاده می‌شود. ترکیب این مجموعه‌ها با هم علاوه بر افزایش شدت نور تولید شده، طول عمر این نوع لامپ‌ها را نیز نسبت به لامپ‌های ساده بیشتر می‌کند. شکل 11 انواع لامپ‌های گازی مورداستفاده در خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 11- انواع لامپ‌های گازی مورداستفاده در چراغ جلو

لامپ‌های زنون نسل بعدی لامپ‌های مورداستفاده در خودروها به‌عنوان لامپ چراغ جلو هستند. در این لامپ‌ها یک قوس الکتریکی ایجاد شده و گاز زنون داخل حباب لامپ در اثر این قوس الکتریکی یونیزه و تحریک می‌شود. نور سفید نزدیک به نور طبیعی تولید می‌کند. شکل 12 یک نمونه از این نوع لامپ را نشان می‌دهد.

1- کپسول شیشه‌ای با محافظ UV 2- رسانا 3- محفظه قوس الکتریکی
4-الکترودها 5- بدنه فلزی 6- کانکتور
شکل 12- لامپ زنون خودرو (DIS lamp)

باتوجه‌به اینکه این لامپ‌ها نیاز به قوس الکتریکی دارند و برای ایجاد قوس الکتریکی به ولتاژ بالا نیاز است. لازم است از یک ترانس افزاینده برای بالابردن ولتاژ استفاده شود. شکل 13 نوعی ترانس مورداستفاده برای لامپ‌های زنون را نشان می‌دهد.

شکل 13- ترانس افزاینده ولتاژ مخصوص لامپ زنون و مشخصات آن

نسل آخر لامپ‌های مورداستفاده برای چراغ‌های جلو، لامپ‌های LED هستند .

شکل 14- لامپ LED به‌عنوان لامپ چراغ جلو

تصاویر شکل 15 مقایسه لامپ‌های مختلف چراغ جلو را نشان می‌دهد.

شکل 15- مقایسه لامپ‌های مختلف چراغ جلو

همانطور که از مقایسه تصاویر شکل روشنایی طبیعی‌تری نسبت به انواع دیگر دارند و مسافت بالاتری را نیز می‌توانند روشن کنند. البته توان مصرفی لامپ‌ها در میزان روشنایی و برد نور آنها بسیار مؤثر است.

کاسه چراغ (رفلکتور)

یکی دیگر از اجزا اصلی چراغ جلو رفلکتور با به‌اصطلاح رایج در بازار کاسه چراغ است. وظیفه رفلکتور انعکاس مناسب نور لامپ روی مسیر حرکت جاده است. به همین دلیل محل قرارگرفتن لامپ در کاسه چراغ بسیار اهمیت دارد.

1- نوربالا 2- نور پایین
شکل 16- نحوه انعکاس نور در کاسه چراغ

شکل 16 طرح بسیار ساده‌ای از رفلکتور را نشان می‌دهد. در وضعیت 1 فیلمان نوربالا در نقطه کانونی کاسه چراغ قرار دارد بنابراین نور به‌صورت مساوی به بخش داخلی کاسه چراغ خورده و سپس موازی با سطح افق منعکس می‌شود. در وضعیت 2 فیلمان نور پایین کمی جلوتر از فاصله کانونی قرار دارد بنابراین در هنگام انعکاس نور به سمت پایین هدایت می‌شود. باید توجه داشت که برای جلوگیری از انتشار نور در وضعیت نورپایین به سمت زیر رفلکتور، از یک مانع فلزی استفاده می‌شود که در شکل 17 نشان‌ داده‌ شده است.

شکل 17- استفاده از مانع فلزی برای هدایت مناسب وضعیت نور پایین

البته باید توجه داشت که وظیفه رفلکتور به‌سادگی شکل 16 نیست. بلکه به دلیل نیاز به فرم خاص روشن شدن سطح جاده فرم کاسه چراغ بسیار پیچیده‌تر باید باشد. شکل 18 نمونه‌ای از فرم استاندارد روشن شدن جلو را به همراه بخش‌بندی رفلکتور نشان می‌دهد.

شکل 18 – نوعی الگو روشن‌کردن استاندارد سطح جاده و ناحیه‌بندی رفلکتور

همانطور که مشاهده می‌شود نواحی و شدت نور در بخش‌های مختلف با هم متفاوت است. مجموعه کاسه چراغ، لنز و شیشه چراغ باید این الگو را روی جاده ایجاد کنند. چند الگوی استاندارد برای روشن‌کردن سطح جاده وجود دارد دانستن این الگو برای تنظیم کردن چراغ‌های جلو بسیار مهم است. چون در صورت رعایت‌نکردن الگوی مناسب در هنگام تنظیم نور چراغ جلو، خروجی مطلوبی به دست نخواهد آمد در مورد الگو روشن‌کردن سطح جاده در بخش مقاله‌های بعدی که به سرویس و تنظیمات مربوطه چراغ جلو پرداخته خواهد شد، اطلاعات بیشتری ارائه می‌شود.
یکی از مواردی که در بسیاری از خودروهای امروزی وجود دارد تنظیم زاویه تابش (ارتفاع) با استفاده از تغییر زاویه کاسه چراغ است. دلیل این کار تغییرات وزن خودرو در هنگام وجود سرنشین یا بار است که در نهایت موجب پایین رفتن یا بالارفتن سطح چراغ جلو نسبت به حالت استاندارد می‌شود. در ساده‌ترین حالت موتور که توسط یک کلید چند وضعیتی کنترل می‌شود انجام این وظیفه را بر عهده دارد.

شکل 19- کلید و موتور تنظیم زاویه تابش

اگرچه کلید تنظیم زاویه تابش برای تصحیح ارسال شعاع نور تا حدی مؤثر است اما در شرایط مختلف حرکت مانند شتاب گیری یا ترمزگیری استفاده از این کلید کارآمد نیست و نیاز به سیستمی اتوماتیک است تا بتواند نیازهای این شرایط را تشخیص داده و متناسب با آن زاویه را تنظیم کند. شکل 20 این نیاز را نشان می‌دهد.

1- نور پایین در حالت استاندارد
2- نور پایین در حالت شتاب گیری
3- نور پایین در حالت ترمزگیری
شکل 20- تغییر وضعیت نور بر اساس شرایط رانندگی

شکل 21 سیستم کنترل اتوماتیک تنظیم زاویه تابش نور را نشان می‌دهد.

شکل 21- شماتیک سیستم تنظیم اتوماتیک ارتفاع نور

سیستم تنظیم اتوماتیک ارتفاع فقط می‌تواند نوسانات عمودی خودرو را بررسی کرده و تأثیر آن را روی انتشار نور چراغ جلو به حداقل برساند اما این سیستم در مورد حرکت‌های عرض توانایی ندارد. برای کنترل عرضی شعاع نور از سیستم AFS (Adetive front light system) کنترل تطبیقی نور چراغ جلو استفاده می‌شود. شکل 22 دلیل نیاز به این سیستم را به‌سادگی توضیح می‌دهد.

شکل 22 – تأثیر سیستم AFS روی هدایت جانبی نور چراغ جلو

همانطور که مشاهده می‌شود در هنگام پیچیدن، بخشی از شعاع نور از محدوده جاده خارج شده و در نتیجه تأثیری در فرایند رانندگی ندارد. بهتر است در زمان پیچیدن نور را مقداری به سمت داخل پیچ هدایت کرد. سیستم AFS با استفاده از قراردادن سنسور روی میل فرمان زاویه پیچش را تشخیص داده و متناسب با آن به الکترو موتورهای عرضی نصب شده روی کاسه چراغ فرمان تغییر زاویه را می‌دهد. عملکرد این سیستم در شکل 23 نشان‌ داده‌ شده است.

1-سنسور تشخیص چرخش فرمان
2- کنترل یونیت
3- تغییر عرضی شعاع نور در کاسه چراغ
شکل 23- روش عملکرد سیستم AFS

شیشه و لنز

یکی دیگر از اجزا سیستم روشنایی، شیشه چراغ و لنز (در صورت وجود) است. وظیفه این دو واحد نیز کمک به هدایت مناسب نور بر اساس الگوی صحیح روشن شدن سطح جاده است. شکل 24 عملکرد لنز و شیشه چراغ جلو را نشان می‌دهد.

شکل 24- عملکرد شیشه چراغ و لنز

همانطور که در شکل 24 مشاهده می‌شود با کمک لنز و شیشه می‌توان تغییرات بسیار زیادی در الگوی ارسالی از کاسه چراغ اعمال کرد. اینکه کدام نوع لنز یا کاسه چراغ مناسب‌ترین طرح را ارائه می‌کنند فقط در کنار بررسی مجموعه لامپ و رفلکتور امکان پذیر است.

1- لنز و شیشه 2- رفلکتور (کاسه چراغ) 3- لامپ 4- صفحه مانع 5- سلونوئید
سمت راست: استفاده از مانع متحرک سمت چپ: استفاده از مانع ثابت
شکل 25- استفاده از صفحات مانع تابت و متحرک داخل چراغ جلو

در مقاله‌های بعدی عملکرد الکتریکی مدار روشنایی و روش‌های بررسی، عیب‌یابی و تنظیم این سیستم بیان خواهد شد.