Hình 1.18: Mạch điện điều khiển đèn đầu Xenon
- Hoạt động của bộ ECU điều khiển đèn:
ECU điều khiển đèn (bộ Ballast) là bộ điều khiển điện tử trung tâm của các bóng đèn phóng điện cao áp. Bộ Ballast thực hiện việc điều khiển tối ưu dịng điện cung cấp cho các bóng đèn để đảm bảo cường độ đèn phát sáng liên tục, ổn định. Nó cung cấp dịng khởi động với cường độ và điện áp cao, đảm bảo đèn khởi động nhanh. Bộ Ballast cịn được trang bị chức năng an tồn để ngăn chặn ảnh hưởng của điện áp cao.
- Hoạt động của chức năng an toàn bộ ECU điều khiển đèn:
ECU điều khiển đèn xác định được các sai hỏng xảy ra và kích hoạt chức năng an toàn theo các điều kiện sau đây.
+ Tự ngắt nếu điện áp đặt vào bộ ballast không nằm trong khoảng điện áp hoạt động (9V - 16V). Tự đóng trở lại nếu điện áp hoạt động được điều chỉnh lại nằm trong vùng điện áp hoạt động.
+ Tự động ngắt điện nếu điện áp ra sai hoặc đèn cao áp nhấp nháy. Nếu xảy ra hiện tượng này trước tiên phải kiểm tra những hư hỏng trong đường dây và cầu chì sau đó thay đèn cao áp nếu vẫn khơng sáng thì phải thay bộ Ballast.
+ Ngắt điện nếu khơng có bóng đèn hay bóng đèn cao áp cháy: Nếu khơng có bóng đèn hay đèn cao áp cháy thì mạch điện khơng được khép kín, bộ Ballast sẽ nhận biết được và tự động ngắt điện.
Công nghệ đèn pha với tiêu điểm biến đổi
Một trong những điểm mới trong công nghệ xe hơi xuất hiện năm 1995 với cặp đèn pha đôi. Đèn pha đôi được thiết kế riêng rẽ hai chức năng pha và cốt cho phép các gương phản xạ có thể định dạng một cách tối ưu nhất theo từng nhiệm vụ cụ thể của chúng.
Máy tính giúp các gương có thể định dạng với trường chiếu sáng lớn nhất và sự phân bố ánh sáng tối ưu. Máy tính chia bề mặt của gương phản xạ thành hàng nghìn phần tử gương nhỏ xíu, gương sẽ chuyển động xung quanh và định hình lại cho đến khi nào có được một vị trí tối ưu nhất. Điều này tạo ra nguồn sáng tốt hơn và chiếu sáng xa hơn.
1.2.5 ĐÈN PHA CÔNG NGHỆ ĐI-ỐT PHÁT QUANG LED
Trong những năm gần đây công nghệ đèn pha ôtô ra đời loại đèn pha sử dụng công nghệ đi-ốt phát quang LED.
Hình 1.19: Đèn pha sử dụng LED
Trong năm 2007, đèn pha phát sáng (LED) đầu tiên đã trở nên phổ biến trong xe ô tô mới. Hệ thống hoạt động dựa trên LED cho phép thiết kế linh hoạt hơn do nguồn ánh sáng cực nhỏ. Tất nhiên, đèn LED cũng đòi hỏi một số phương pháp chuyển đổi năng lượng. Cụ thể, việc điều khiển LED yêu cầu cung cấp một dòng điện liên tục cho hàng loạt các LED hoạt động.
Tương tự như HID, việc điều khiển LED làm tăng thêm chi phí và sự phức tạp trong việc thiết kế cho hệ thống đèn pha. Tuy nhiên, việc giảm kích thước vốn có, khả năng kiểm sốt cao hơn nhiều về cường độ và màu sắc, hiệu quả nó mang lại cho thị trường ô tô là không thể chối cãi. Đèn LED cho phép nhà thiết kế thỏa sức sáng tạo nên nhiều hình dạng rất thú vị và mới lạ mang tính đột phá cho nhà sản xuất ơ tơ.
Trong suốt gần 10 năm qua, đèn pha LED đã dần dần phát triển từ các tùy chọn tính năng LED đơn lẻ như đèn chạy ban ngày (DRL) hoặc đèn sương mù đến một hệ thống chiếu sáng phía trước hồn tồn dựa trên đèn LED. Tại thời điểm này, hầu hết các mẫu xe từ trung đến cao cấp đều có trang bị đèn pha LED.
Kết cấu đèn pha LED
Đèn LED là nguồn sáng sử dụng các diot phát ra ánh sáng khi kết nối trong mạch. Hiệu ứng này là một dạng phát quang, trong đó đèn led giải phóng một lượng lớn photon ra ngồi. Đèn LED được đặt trong một bóng đèn bằng nhựa để tập trung nguồn sáng
Phần quan trọng nhất của LED là chíp bán dẫn nằm ở trung tâm của nguồn sáng. Chip có hai khu vực cách nhau bằng một đường giao nhau. Khu vực p bị chi phối bởi điện tích dương và khu vực n bị chi phối bởi điện tích âm. Các đường giao nhau đóng vai trị như là một rào cản đối với dòng chảy của các electron giữa khu vực p và khu vực n. Tuy nhiên, khơng giống như bóng đèn sợi đốt thơng thường, chúng khơng có dây tóc. Đèn LED chỉ được chiếu sáng bởi sự chuyển động của electron trong vật liệu bán dẫn.
Nguyên lý làm việc của một đèn LED khá khó giải thích, nhưng nói một cách ngắn gọn, chúng dựa vào việc di chuyển của các electron theo các "lỗ" tích cực trên một chất bán dẫn. Khi một electron tự do rơi vào một lỗ nằm ở mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ mất năng lượng được giải phóng dưới dạng một photon (phần nhỏ nhất của ánh sáng) trong một quá trình gọi là sự phát quang. Nhân quy trình này lên hàng nghìn lần mỗi giây chúng ta sẽ có một ánh sáng rực rỡ liên tục được phát ra rộng khoảng 2mm trên mỗi một đèn LED.
Cụ thể hơn, khi điện áp được cung cấp đủ cho chip bán dẫn, các electron có thể di chuyển dễ dàng và vượt qua đường giao nhau, nơi chúng được hút ngay lập tức bởi các lực tích cực trong vùng p. Khi một electron di chuyển đủ gần với một điện tích dương trong vùng p, hai điện tích "kết hợp lại". Mỗi lần một electron tái hợp với một điện tích dương, năng lượng điện tiềm năng được chuyển thành năng lượng điện từ. Đó là năng lượng điện từ được phát ra dưới dạng một photon ánh sáng. Photon này có tần số xác định bởi các đặc tính của vật liệu bán dẫn (thường là sự kết hợp của các nguyên tố hóa học gallium, asen và photpho). LED phát ra màu sắc khác nhau được làm bằng vật liêu bán dẫn khác nhau.
Do có mức năng lượng cố định nên một bộ đèn pha LED được thiết kế như một nguồn cấp nguồn chuyển đổi một giai đoạn. Nói chung, một cấu trúc liên kết tăng cường buck-boost được ưu tiên hơn để cung cấp các quy định trong suốt quá trình tải và điều kiện khởi động lạnh (cold- crank). Trong thời gian tải, điện áp pin có thể tăng lên đến 60V và cao hơn vào các thời điểm, trong khi trong khởi động lạnh nó có thể rơi xuống 4,5V hoặc thậm chí thấp hơn. Bộ chuyển đổi buck- boost có thể điều chỉnh dịng điện đầu ra cho một chuỗi LED với tổng điện áp chuyển tiếp hoặc cao hơn hoặc thấp hơn điện áp nguồn trong điều kiện đầu vào cực trị.
Một hệ thống chiếu sáng phía trước hồn chỉnh thường bao gồm nhiều bộ chuyển đổi, mỗi bộ điều chỉnh một phần khác nhau của hệ thống (Hình 1.20). Thơng thường, mỗi chức năng đèn pha được hỗ trợ với dây LED riêng biệt. Thơng thường chỉ DRL và đèn vị trí được ghép thành một chuỗi. Trong trường hợp này, ánh sáng vị trí được tạo ra bởi điều chế độ rộng xung (PWM) làm mờ dãy DRL ở chu kỳ nhiệm vụ khoảng 10%.
Hầu hết các đèn pha LED hiện có hai thành phần điện tử cơ bản: dàn LED bên trong đèn pha cùng với các thành phần cơ học quang học và bộ phận điều khiển ánh sáng (LCU) thường được gắn bên ngoài trong một vỏ bọc chống lại thời tiết. Bảng mạch in LCU chứa các bộ điều chỉnh hiện tại và các bộ chuyển đổi năng lượng khác cũng như bộ vi xử lý và bộ thu phát liên lạc với các bộ điều khiển điện tử khác trong hệ thống. Bộ phận điều khiển điện thân xe (BCU), nằm gần cabin sẽ gửi các lệnh đến LCU và cuối cùng quản lý tất cả các chức năng của cơ thể trong xe.
Mảng LED nằm trên một PCB lõi kim loại kết nối với một số loại tản nhiệt. Bảng này thường chứa các đèn LED, bù nhiệt độ, và thông tin current - binning mà chương trình mong muốn cho đầu ra hệ thống hiện hành. Đèn pha sẽ chứa nhiều LED- mảng PCBs, bao gồm các mảng riêng biệt cho một số, nếu không phải là tất cả các chức năng.
Đèn LED (đèn đi-ốt phát quang) đang trở nên phổ biến dưới vai trò đèn pha hoặc đèn hậu.
Hình 1.21: Đèn pha (trái) và đèn hậu (phải) dạng mành của Hella tại Frankfurt
Ưu điểm của nó là khối lượng nhẹ, tuổi thọ cao, cường độ sáng lớn, tiết kiệm điện năng và rất thời trang. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của đèn LED cao hơn theo tính tốn cùng một thời gian sử dụng mức tiêu thụ điện ít hơn gần 10 lần so với đèn thường, thân
thiện hơn đối với mơi trường trong q trình phát sáng lượng nhiệt tỏa ra rất thấp (ánh sáng của LED khá lạnh). Những chiếc xe thiết kế dựa vào LED thường mang dáng vẻ trừu tượng, viễn tưởng và huyền bí.
Đèn pha thông minh sử dụng công nghệ công nghệ Đi-ốt phát quang
- Hệ thống chiếu sáng chủ động (AFS)
Hệ thống chiếu sáng chủ động có khả năng điều khiển chùm sáng đèn pha theo góc lái, đã được biết tới với công nghệ đèn thông minh chiếu sáng chủ động trên đèn pha Bi - Xenon tự xoay. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống AFS hiện thời sử dụng một nguồn sáng nên khi vào cua, phần ngược với hướng rẽ không được chiếu sáng và đó là một trong những nhược điểm quan trọng nhất.
Hình 1.22: Hệ thống chiếu sáng chủ động sử dụng cấu trúc công suất hai giai đoạn để đảm bảo độ ổn định của đầu ra
Hệ thống AFS mới với công nghệ đèn LED nhờ sự nhỏ gọn của những bóng đèn LED dễ dàng bố trí đã tích hợp hai nguồn sáng độc lập: Một bóng đèn halogen cơng suất cao có chức năng sinh chùm sáng chính giống như trên các dịng xe thơng dụng và đèn này khơng thay đổi theo góc cua. Nguồn sáng thứ hai là hàng đèn đi-ốt phát quang LED, chịu trách nhiệm chiếu sáng tức thời, nghĩa là chỉ bật khi xe chuẩn bị vào cua. Dàn đèn LED hoạt động theo nguyên lý của công nghệ AFS và hướng các chùm sáng đều nhau tới bề mặt đường.
Hình 1.23: Cơng nghệ đèn LED thơng minh trên chiếc Volkswagen Golf V
- Hệ thống chiếu sáng sử dụng ma trận LED
Cấu trúc đèn pha thích ứng tiềm ẩn những khả năng phát triển vượt bậc hơn nữa, nhưng làm sao để bạn khai thác được nó một cách hiệu quả? Nếu chúng ta coi hệ thống như là một mơ hình ánh sáng có thể điều khiển được, chúng ta có thể chia nó thành nhiều mức độ điều khiển. Định nghĩa của một mức điều khiển có thể khác nhau, nên, việc kiểm soát mỗi và mọi đèn LED riêng biệt đem lại sự thiết kế linh hoạt nhất. Đối với cấu trúc boost- buck hai giai đoạn, trình quản lý ma trận LED TPS92661-Q1 có thể cung cấp các chức năng này.
Hình 1.24: Cấu trúc đèn pha thích ứng sử dụng bộ quản lý ma trận LED Texas Instruments ™ TPS92661-Q1, cho phép điều khiển PWM riêng cho mỗi đèn LED
Với TPS92661-Q1, điều khiển nhiều mức độ khác nhau là có thể trong hệ thống kết hợp lên tới 96 đèn LED (Hình 1.24). Thiết bị cung cấp xung điều khiển PWM riêng cho mỗi và mọi đèn LED. Chức năng này, với tỷ lệ mờ 1000: 1 và tần số làm mờ có thể lập trình, cho phép bất kỳ mức độ kiểm sốt năng động nào. Chùm tia cực tím khơng chớp, chùm tia năng động. Hơn nữa bất kỳ loại hệ thống AFS nào cũng dễ dàng thêm vào thiết kế LCU hai giai đoạn này. Bộ quản lý ma trận gắn trực tiếp vào PCB lõi kim loại nơi mà mảng LED nằm, giúp tối ưu hóa kết nối nhiệt và hiệu năng hệ thống.
Thiết bị có 12 thiết bị chuyển mạch được thiết kế để chuyển đổi dòng điện xung quanh LED tại một chu kỳ và tần số nhất định. Truyền thông nối tiếp với vi điều khiển trên LCU cung cấp đường dẫn cho các lệnh mờ tốc độ cao được nhận và hoạt động gần như ngay lập tức.
Một lợi ích khác liên quan đến phạm vi lỗi cố hữu. Khơng giống như trình điều khiển chuỗi LED thơng thường, TPS92661-Q1 chạm đến mỗi đèn LED riêng biệt, cho phép nó phát hiện và bảo vệ chống lại bất kỳ lỗi nào. Điều này cho biết thêm một lớp bảo hiểm bổ sung giúp kéo dài tuổi thọ của đèn pha. Nếu một đèn LED không hoạt động ở trạng thái mở hoặc bị rút ngắn, chuỗi có thể được bảo vệ và các đầu ra LED xung quanh có thể được tăng lên để duy trì mức ánh sáng mong muốn.
1.2.6 ĐÈN PHA CÔNG NGHỆ LASER
Mặc dù nghe như trong những bộ phim của James Bond, nhưng đèn pha laser là công nghệ chiếu sáng mới nhất hiện nay được sử dụng trong ô tô. Sản phẩm đầu tiên sử dụng công nghệ này là chiếc BMW i8.
Đèn laser được cho là tạo ra luồng sáng mạnh gấp 1000 lần đèn LED, nhưng chỉ tiêu thụ một lượng điện năng bằng 2/3, thậm chí 1/2, so với đèn LED. Đèn laser trên i8 có thể chiếu sáng khoảng cách 600m phía trước xe, so với 300m nếu dùng đèn LED. Một điều đáng kinh ngạc là những chùm laser này chiếu sáng hiệu quả hơn 30% so với đèn LED và có thể chiếu sáng hầu như gấp đôi quãng đường, tới gần 2000m. Tức là gần 18 sân bóng đá.
Cũng cần lưu ý rằng tuy gọi là đèn laser nhưng thực chất ánh sáng phát ra từ nó khơng phải là tia laser. Thay vào đó, tia laser được chiếu vào một thấu kính có chứa khí phốt pho bên trong. Chất khí này sẽ bị kích thích và phát sáng.
Nhược điểm lớn nhất của đèn laser vào thời điểm này chính là giá thành rất cao. Bộ đèn laser trên BMW i8 có giá khoảng 10.000 USD. Đèn laser cũng tỏa nhiều nhiệt hơn cả đèn LED, vì vậy nó cần hệ thống giải nhiệt phức tạp hơn. Mặc dù có những lợi thế như vậy so với đèn LED, nhưng khả năng hội tụ của đèn laser khi chiếu sáng ở chế độ high beam lại kém hơn đèn LED. Đèn laser hiện cũng phải đi kèm các loại đèn khác như LED hay xenon vì nó chưa thể đảm nhận cùng lúc vai trò đèn chiếu xa và chiếu gần.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
TRÊN XE ĐỜI MỚI
2.1 HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CHỦ ĐỘNG THEO GÓC CUA
Những năm gần đây cùng với sự phổ biến rộng rãi của đèn Xenon, hệ thống đèn chiếu sáng góc cua đã dần được đưa vào sử dụng trên các xe đời mới.
Xuất phát từ thực tế, người ta tìm cách khắc phục hiện tượng thiếu ánh sáng khi xe vào cua hoặc chạy trên những con đường khúc khuỷu, khi đó đèn chiếu sáng thông thường không đảm nhận được việc chiếu sáng ở những góc gần bên phải hoặc bên trái của chiếc xe, tình trạng cũng tương tự khi người ta chạy trên những cung đường hẹp và không thẳng ... Việc thường xuyên đối mặt với những vùng tối đột ngột xuất hiện trước mũi xe làm cho người lái cực kỳ căng thẳng, khả năng gây tai nạn cũng cao đơn giản là do khơng kịp nhìn thấy mặt đường trong các khúc quanh tối tăm. Các nhà sản xuất đã tìm ra các giải pháp để thay đổi vùng chiếu sáng của xe tùy theo điều kiện đường xá, tiêu biểu là các hệ thống đèn liếc tĩnh và đèn liếc động được trình bày dưới đây.
2.1.1 HỆ THỐNG ĐÈN LIẾC TĨNH 2.1.1.1 Giới thiệu hệ thống 2.1.1.1 Giới thiệu hệ thống
Hình 2.1: Hiệu quả chiếu sáng đối với hệ thống đèn liếc tĩnh
Hệ thống đèn liếc tĩnh, thực chất của nó là bố trí nguồn sáng phụ bên cạnh đèn cốt thông thường, nguồn sáng phụ này có nhiệm vụ chiếu sáng góc cua khi xe vào cua mà vùng sáng của đèn cốt không chiếu tới, như trên hình vẽ bên trên, vùng sáng