ФАРА ГОЛОВНАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НА СВЕТОДИОДАХ
MULTI-FUNCTIONAL FRONT HEADLIGHT ON LIGHT DIODES

Изобретение относится к светотехнике, в частности к световым приборам - фарам многофункциональным на светоизлучающих диодах (СД) (в том числе со светомаскировочными функциями), устанавливаемым на транспортных средствах. Также подобные фары генерируют белый огонь ближнего и дальнего света, удовлетворяя стандартам [1], синее (сине-зеленое, желтое) излучение частичного маскировочного затемнения (неполное затемнение), инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне длин волн 800-900 нм - полного маскировочного затемнения [2]. При работе устройства в маскировочных режимах фара формирует узкий пучок излучения (2°-7°) в вертикальной плоскости и широкий пучок излучения (20°- 60°) в горизонтальной плоскости.
Известна фара [3] для многоцветного освещения, содержащая корпус с собранными в нем источником света в виде лампы накаливания, цветными светофильтрами и электромеханическим устройством, изменяющим положения светофильтров.
Недостатки аналога обусловлены низкой эффективностью, сложностью конструкции и необеспеченностью частичной светомаскировки.
Известна фара [4] с светомаскировочной насадкой, содержащая корпус с собранным в нем параболоидным отражателем, в фокусе которого установлена лампа накаливания, рассеивателем, перекрывающим выходное отверстие фары. Светомаскировочная насадка установлена на выходном отверстии и представляет собой крышку и бленду (светомаскировочное устройство - СМУ), с протяженными горизонтальными щелями, перекрытом синим (сине-зеленым, желтым) светофильтром для выхода маскировочного излучения.
Недостатки аналога связаны с низкой эффективностью лампы накаливания, большими потерями излучения на фильтре и на крышке фары, отсутствием многофункциональности, невозможностью дистанционного управления режимами светомаскировки, т.к. требуется ручное откидывание крышки для переключения маскировочного излучения на основное излучение фары.
Известна фара [5], содержащая основную и дополнительные оптические группы на светодиодах, генерирующие белое, желтое или ближнее ИК-излучение с узким и широким пучком излучения соответственно, а также светомаскировочную насадку с блендой, сопряженной с одной или более параллельными между собой группами светодиодов (в виде линеек) на светодиодах синего, сине-голубого или сине-зеленого цвета излучения с оптическими осями, ориентированными под углом в пределах 2°-5° ниже горизонтальной плоскости. Группы светодиодов подключены к электронным преобразователям или непосредственно к питающей сети с возможностью автономного дистанционного включения и функционирования. Группы СД выполнены в форме протяженных многоугольных печатных плат со светодиодами. Светодиоды основного модуля перекрыты линзой Френеля, в фокусе каждой ячейки которой установлено светящее тело светодиода. Защитное стекло в прототипе перекрывает одновременно все огни фары.
Недостатки прототипа обусловлены серьезными просчетами в построении оптических схем отдельных огней ФГМ, приводящих к невыполнению требуемого светораспределения фары, а также усложнению ее конструкции и занижению кпд отдельных огней фары.
0,5
В частности оптический модуль на светодиодах белого (желтого) излучения предлагается реализовать на СД с углом рассеяния 2Θ=25-30°. Деформирование КСС этого огня предлагается осуществлять с помощью линз Френеля. При этом не указан характер КСС этой части огня на выходе. Однако можно априори утверждать, что такое построение огня не реализует требований [1], создавая при этом большие потери излучения в линзе Френеля. Дополнительные СД-модули к этому огню, хотя и обеспечивают более широкое распределение силы света (до 30°), реализованы неэкономично, т.к. более 50% их излучения практически не работает (уход излучения в верхнюю полусферу, что не разрешено нормами [1]).
В прототипе нет указаний по реализации ближнего света фары, обладающего наиболее сложной КСС и до сих пор нереализованной на СД по требованиям [1].
0,5
В прототипе ИК-излучение (маскировочный огонь полного затемнения) реализуется аналогично излучению белого (желтого) огня ФГМ с теми же недостатками: крайне неэкономичное использование излучения СД с 2Θ=25-30°.
0,5
В прототипе маскировочный огонь частичного затемнения ФГМ реализуется светодиодами с излучением синего, сине-голубого и сине-зеленого света с углом рассеяния 2Θ=5-6°, поворотом их в нижнюю полусферу на угол 2-5°и разворотом оптических осей светодиодов на фиксированные углы (2.5°, 5°, 7.5° и 10°, 12.5°) в горизонтальной плоскости. Ограничение излучения огня неполного затемнения в верхнюю полусферу осуществляется с помощью СМУ. Фигурная перегородка в бленде обеспечивает по крайней мере одну горизонтальную щель для выхода излучения. Это решение имеет несколько недостатков: во-первых, бленда имеет очень низкий кпд, что заставляет брать много СД, по видимому высокой мощности (из описания - не менее 20 шт), а это приводит к перегреву и удорожанию изделия; во-вторых, СД устанавливаются на печатной плате такой формы (изогнутой), которая трудна в изготовлении; в-третьих, бленда имеет усложненную форму;
в-четвертых, поворот части СД огня частичного затемнения, указанный в описании изобретения, не обеспечивает необходимую КСС, требует высокой точной юстировки и большего количества узкоградусных СД (чем при использовании вторичной оптики), для обеспечения необходимой равномерности светораспределения;
в-пятых, световое отверстие фары перекрывается единым стеклом, за которым находятся синие СД, и при включении огней частичной маскировки, в результате диффузного рассеивания будет светиться часть стекла, не перекрытая блендой, что приведет к полной демаскировке.
Указанные выше недостатки в значительной мере устраняются в предлагаемых нами конструкциях. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности светомаскировки, упрощение конструкции, снижение стоимости и энергозатрат изделия, а также повышение кпд светооптической системы, повышение надежности, расширение функциональных возможностей фары.
0,5
0,01
0,5
0,5
Технический результат достигается тем, что фара головная многофункциональная (ФГМ) для транспортных средств на светоизлучающих диодах (СД) в виде корпуса, содержит основной модуль на СД с белым, желтым или коротковолновым ИК-излучением. Часть СД перекрыто ячеистой линзой Френеля с прямым несущим слоем, а также дополнительно установлены светодиодные группы (в виде линеек) с синим, сине-голубым, сине-зеленым или желтым излучением, ориентированные под углами 0-7° ниже горизонтальной плоскости, сопряженные с расположенным на фаре светомаскировочным устройством с по меньшей мере одной горизонтальной щелью, и преобразователь питающей сети с возможностью дистанционного включения. В фаре используются узкоградусные светодиоды с двойным углом рассеяния для белого света (ближний свет - 2Θ=(2±0,5)°, 2Θ=(3±0,5)° и дальний свет 2Θ=4-8°), коротковолнового ИК-излучения (полное затемнение), синего, сине-зеленого и желтого света (частичная светомаскировка) 2Θ=2-7°, а светораспределение фары формируется цилиндрическом линзовым рассеивателем и (или) призматическими элементами, являющимися одновременно защитным стеклом каждого или группы светодиодов, а также ориентацией (поворотом) оптических осей светодиодов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом на группу СД светомаскировочных огней частичного затемнения устанавливается светомаскировочное устройство, исключающее излучение этой группы СД и рассеивателя каждого СД (или защитного стекла) в верхнюю полусферу выше 2-6°.
Для формирования огня полного затемнения каждый или группа ИК-светодиодов повернуты к горизонту на угол 1,5-3° и перекрыты цилиндрическими линзами, рассеивающими излучение светодиодов в горизонтальной плоскости на угол 20-60°.
В огнях частичного затемнения, оптические оси светодиодов разворачиваются в горизонтальной плоскости под углами 0°-20°, и (или) на каждый (или группу) СД устанавливается линзовый рассеиватель, рассеивающий излучение на 5°-10°.
В огнях ближнего белого света оптические оси светодиодов разворачиваются в вертикальной плоскости под углами от 0° до 5°, а излучение части светодиодов разворачивают под углом 15° с помощью поворота цилиндрического линзового рассеивателя.
Светомаскировочное устройство выполнено в виде объемной полости, например, усеченного параллелепипеда, без нижней грани и расположено напротив групп СД с излучением в синем, сине-зеленом или желтом диапазоне спектра, направленно выходящим в нижнюю полусферу для освещения дорожной поверхности.
Поставленные цели достигаются использованием узкоградусных СД (или модулей), излучение которых расширяется в горизонтальной плоскости (для создания требуемых КСС и высокой равномерности освещения дороги) с помощью цилиндрических линз (или рассеивателей). В некоторых огнях деформирование КСС осуществляется поворотом осей СД (или модулей). Окончательная коррекция маскировочных огней производится с помощью устройства, ограничивающего излучение в верхнюю полусферу не выше 6°, а в белом ближнем свете - поворотом СД (или группы СД) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, обеспечивая светораспределение в соответствии с [1].
Технический результат достигается также и тем, что корпус ФГМ на СД выполнен в виде универсального радиатора, обеспечивающего высокую теплопередачу, а светомаскировочный режим частичного затемнения (с использованием СД с излучением синего, сине-зеленого или желтого цвета) обеспечивается направлением излучения СД, минуя основное защитное стекло фары.
Наиболее предпочтительный вариант исполнения устройства предлагаемого изобретения рассмотрен на чертежах и эпюрах освещенности ближнего и дальнего света.
Фиг.1. Фара головная многофункциональная на светодиодах. Аксонометрическая (диметрическая прямоугольная) проекция изображена с указанием разрезов А-А, В-В и С-С.
Фиг.2. Разрезы А-А и В-В узкоградусных СД (в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно).
Фиг.3 (а, б). Расположение цилиндрических линз на СД.
Фиг.4. Установка призм на СД.
Фиг.5. Распределение освещенности щита от ближнего света ФГМ на расстоянии 25 м.
Фиг.6. Распределение освещенности щита от дальнего света ФГМ на расстоянии 25 м.
Фиг.7. Разрез С-С светомаскировочного устройства частичного затемнения.
Фиг.8. Светомаскировочное устройство (СМУ).
Фиг.9. Пример ФГМ: белые огни на галогенной лампе накаливания, а светомаскировочные - на СД.
Фиг.10. Пример ФГМ (светомаскировочный с ИК и синими СД) вариант с двумя оптически разделенными рассеивателями.
0
0,5
0,01
Пример исполнения фары головной многофункциональной приведен на фиг.1. Фара представляет собой корпус-радиатор (1), на котором установлены СД, имеющие плотный тепловой контакт с корпусом. В корпусе-радиаторе 1 размещены СД для формирования белых огней ближнего и дальнего света - 2, светомаскировочных (частичного - 3 и полного - 4 светомаскировочного затемнения). Световое отверстие фары перекрывается основным защитным стеклом - 5, герметично установленным по его периметру - 6, а световое отверстие для выхода излучения, обеспечивающие частичное затемнение, перекрыто отдельным, защитным стеклом, оптически изолированным от основного стекла, чтобы не пустить выход синего света из-за рассеянного излучения стекла. Ближний огонь фары обеспечивается светодиодами (СД)-2 с I=5000 кд, 2Θ=(2±0,5)° и 2Θ=(3±0,5)°, и потребляемой мощностью ~1,5 Вт. Такое узкое светораспределение СД необходимо чтобы не засветить зону III и точку B50L [1]. Для создания нужного светораспределения [1] светодиоды ближнего света разворачиваются в двух плоскостях (горизонтальной плоскости на угол α=0-5° и вертикальной плоскости на угол β=0-5°), согласно фиг.2, на которой показано сечение узкоградусного СД. С целью создания необходимой равномерности освещения в горизонтальной плоскости предлагается установка на каждом светодиоде индивидуальной рассеивающей цилиндрической линзы 9 (см. фиг.3), при этом излучение части светодиодов разворачивается под углом вокруг своей оптической оси на 15° по часовой стрелке поворотом рассеивателя - цилиндрической линзы из положения 9 в положение 10 (см. фиг.3а и 3б). Разворот излучения СД также реализован с помощью призмы 11, устанавливаемой на выходе излучения СД, см. фиг.4. Распределение освещенности (лк) щита 12 от ближнего света ФГМ, удаленного от нее на расстоянии 25 м, дается на фиг.5.
0
0,5
Дальний свет обеспечивается СД-2 с I=2000 кд, 2Θ=4-8° (фиг.1). При этом отдельные светодиоды повернуты под различными углами в горизонтальной плоскости (до ±12°) и вертикальной плоскости (до 2° вниз) для обеспечения наибольшего соответствия светораспределения фары ГОСТу [1]. Поворот осуществляется, как показано на фиг.2 или фиг.4. Эпюра освещенности (лк), формируемая дальним светом ФГМ, представлена на щите 13, удаленном от фары на 25 м, дана на фиг.6.
Группа СД (или модули) ближнего и дальнего света, а также СД-ИК полного затемнения перекрываются защитным стеклом 5 (фиг.1). Светодиоды частичного затемнения перекрываются отдельным защитным стеклом (чтобы уменьшить площадь выходного отверстия огней частичного затемнения для улучшения светомаскировки огней частичного затемнения).
Для обеспечения наилучшей видимости на расстоянии 25-50 м от автомобиля светодиоды полного затемнения поворачиваются к горизонту вниз на угол 1,5°-3°.
0
0,5
Огонь частичного затемнения реализован на синих (сине-зеленых и желтых) СД-3 (фиг.1) с I=300 кд, 2Θ=2-7° и потребляемой мощностью ~1,2 Вт. Нужное светораспределение достигается путем поворота СД в горизонтальной плоскости на угол (2-7°) или с помощью рассеивателя, рассеивающего излучение на 5°-10°.
Ограничение излучения огня частичного затемнения в вертикальной плоскости осуществляется с помощью СМУ, представленного на фиг.7 и фиг.8. Устройство выполнено в виде объемной полости, например, усеченного параллелепипеда 8 (фиг.1, а также фиг.7 и 8), состоящего из двух зон 14 и 15 без нижней грани во второй зоне. В зоне 14 размещена группа СД-3 с излучением в синем, сине-зеленом или желтом свете, направленно выходящем через щель в зону 15. При этом щель 16 в первой зоне 14 перекрыта призменно-цилиндрической оптикой 7 (фиг.7), формирующей излучение СД (модуля) в горизонтальной плоскости (или защитным стеклом), вторая зона устройства 15 ограничивает выходящее излучение в верхней полусфере под углом не более 6°; при этом выбор геометрии зоны 15 диктуется не излучением СД (модуля), а нижней частью оптики 17 (защитного стекла), как показано на фиг.7.
0
0,5
Крепление СМУ 8 осуществляется в корпусе фары 1. Конструктивно зона 14 СМУ располагается внутри корпуса 1 ФГМ под ИК СД-4, во избежание засветки интерьера корпуса и выхода из него рассеянного света СД-3 через основное защитное стекло фары. Огонь полного затемнения реализован на инфракрасных светодиодах 4 (СД-ИК) (фиг.1) I=3,5 Вт/ср, 2Θ=2-7°. Расширение угла излучения огней полного затемнения в горизонтальной плоскости осуществляется с помощью цилиндрических линз 7, 8 по типу фигур 3 и 4, при этом полный угол рассеивания ИК огня может достигать 60°. Возможно применение к этой группе ИК огней устройства, ограничивающего излучение в верхнюю полусферу, по типу, предлагаемому для огней частичной светомаскировки.
Оптимальные углы поворота оптических осей СД огней полного и частичного затемнения, обеспечивающие необходимое пространственное распределение излучений узкоградуных СД, показаны в табл.1
Таблица 1
№ СД
СД с синим излучением
СД с ИК-излучением
1
2
3
4
1
2
3
4
Угол верт. вверх, град
4,5
4,5
4,5
4,5
0
0
0
0
Угол гориз., град
-8
0
6
14
-14
-5
5
14
Примечание. Угол горизонтального отклонения (+) отсчитывается вправо от направления движения транспорта, а (-) - влево.
Предусмотренное размещение белых и светомаскировочных огней в едином корпусе позволяет снизить расход материалов и уменьшить тепловой нагрев СД, т.к. не все светодиоды одновременно функционируют.
Питание фары осуществляется от источника вторичного питания (ИВП), устанавливаемого вне корпуса ФГМ: в кабине машины или под ее капотом.
Вторым примером реализации предлагаемого изобретения является ФГМ, в которой белый ближний и дальний свет обеспечивается серийно выпускаемой фарой диаметром светового отверстия 136 мм на базе лампы накаливания 18. Указанная фара монтируется на подкапотном основании или на радиаторе ФГМ. В последнем случае юстировка всех огней фары производится перед установкой ФГМ; общая юстировка ФГМ производится с помощью юстировки радиатора котировочными винтами.
Реализация огней частичного и полного затемнения 19, 20 (фиг.9) аналогична предыдущему примеру (фиг.1). Электропитание фары поступает от ИВП, расположенного в кабине машины.
Третьим примером является конструкция многофункциональной светомаскировочной фары на СД (см. фиг.10).
Фара с ограниченным числом функций (фиг 10): оставлены только светомаскировочные функции (частичного и полного затемнения). Фара выполнена в корпусе 21 с перекрывающим ее выходное отверстие двумя линзовыми рассеивателями (излучений ИК-СД 24 и для синих СД 25), оптически развязанными между собой, или вместо них защитными стеклами (в случае дискретного ориентирования СД в горизонтальной плоскости), установленными в оправе 26. СД с излучением частичной светомаскировки - 23 и полной светомаскировки 22 размещены на радиаторах. СМУ 27 предусматривается для частичной светомаскировки. Внутри корпуса размещен источник вторичного питания ИВП 27, запитываемый через разъем 29. Фара крепится в подкапотном пространстве посредством узла крепления и юстировки п.30.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 41.20-99 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения автомобильных фар с асимметричными огнями ближнего света и (или) огнями дальнего света, предназначенных для использования с галогенными лампами накаливания (лампы Н4)».
2. Заявка ФРГ №3837732 А1, кл. F21Р 5/02, F21V 9/08. Опубл. 10.05.90 г.
3. Фара видимого света со светомаскировкой ФГ127. ТУ 37.003.749-76.
4. Патент РФ №2202731, кл. F21V 5/00, опубл. 20.04.2004 г., Бюл. №11.
5. Патент номер RU 2266466 С1, класс F21S 8/10, «Светомаскировочная фара».