CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN THÂN XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG BCM
3.4 Tổng quan hệ thống chiếu sáng
3.4.1 Hệ thống đèn đầu
Hệ thống đèn đầu là hệ thống đèn chiếu sáng cơ bản, là hệ thống quan trọng nhất trong các hệ thống đèn trên xe, với các nhiệm vụ đảm bảo điều kiện lái xe cho người điều khiển vào ban đêm, đảm bảo an toàn giao thông. Hệ thống đèn đầu phải có những thông số kỹ thuật theo những tiêu chuẩn nhất định, đảm bảo cường độ ánh sáng lớn nhưng không làm chóa mắt người đi ngược chiều, công suất chiếu sáng khi chiếu gần là 35 – 40W, chiếu xa là 67 – 70W, ở chế độ chiếu gần vùng chiếu sáng là từ 72 – 75m, chiếu xa từ 180 – 250m.
3.4.1.1 Tổng quan các loại bóng đèn đầu:
a. Bóng đèn dây tóc:
Cấu tạo bóng đèn dây tóc gồm vỏ bóng đèn làm từ bóng thủy tinh, bên trong
có chứa điện trở volfram. Fly volfram khi được đặt vào một mức điện áp nhất định và được nung nóng lên đến nhiệt độ 45220C sẽ sinh ra luồng ánh sáng trắng. Nhiệt độ thấp hơn ánh sáng sinh ra sẽ yếu hơn, và ngược lại nhưng nếu cung cấp điện áp đặt vào hai đầu volfram lớn quá điện áp định mức, nhiệt độ điện trở volfram quá lớn làm cho dây volfram bốc hơi nhanh gây hiện tượng đen bóng đèn và đốt cháy dây tóc, dây tóc bị đứt. Trong bóng đèn người ta hút hết không khí ra để tạo môi trường chân không hạn chế hiện tượng oxy hóa dây điện trở volfram làm dây volfram bị đốt cháy.
Để dây tóc bóng đèn đầu có thể phát sáng ở nhiệt độ cao hơn, có thể đặt vào bóng đèn một điện áp cao hơn, người ta bơm vào bóng đèn khí trơ Crgon với áp
Hình 3.22 Bóng đèn loại dây tóc
Thạch anh Dây tóc tim c ốt
Phần che Dây tóc tim pha
suất thấp. Với cách này cường độ chiếu sáng của bóng đèn đầu sẽ được tăng thêm khoảng 40%.
b. Bóng đèn halogen
Với bóng đèn dây tóc trong quá trình hoạt động để sinh ra ánh sáng thì dây điện trở volfram phải được nung nóng lên đến 23000C điều này làm dây tóc bay hơi và bị đốt cháy. Sự bay hơi của dây tóc làm vỏ thủy tinh bị đen làm giảm cường độ chiếu sáng. Dây điện trở bị đốt cháy làm giảm tuổi thọ của bóng đèn. Với sự ra đời của bóng đèn halogen sẽ khắc phục được hiện tượng bay hơi của dây volfram làm đen bóng thủy tinh và nâng cao tuổi thọ nhờ dây Volfram không bị bay hơi. Đèn halogen chứa khí halogen như iot hoặc crom, các chất khí này là chất xúc tác cho quá trình thăng hoa ở dây volfram; khí halogen kết với volfram bay hơi ở dạng khí thành iodur volfram, hỗn hợp khí này không bám vào thủy tinh như đèn dây tóc bình thường khi bị nung nóng đến nhiệt độ bay hơi mà sự thăng hoa sẽ mang hỗn hợp iodur volfram trở về vùng khí nhiệt
độ cao xung quanh tim đèn (ở nhiệt độ cao trên 14500C) lúc đó nó sẽ tách lại thành 2 chất: Volfram bám trở lại tim đèn và các phần tử khí halogen được giải phóng trở về dạng khí, tiếp tục khi nhiệt độ dây volfram lại được nung nóng đến nhiệt độ bay hơi nó sẽ tiếp tục kết hợp với halogen thăng hoa và sau đó volfram lại trở lại tim đèn, quá trình này lặp lại liên tục. Điều này không chỉ ngăn chặn sự đổi màu bóng đèn mà còn giữ cho tim đèn luôn hoạt động ở điều kiện tốt trong một thời gian dài.
Vỏ bóng đèn halogen được làm từ thạch anh nhờ vậy nó có thể chịu được nhiệt độ cao và áp suất rất cao từ 6 – 7 bar, nhiệt độ vỏ bóng đèn halogen phải hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn 2700C. Đạt nhiệt độ này khí halogen mới
Hình 3.23 Bóng đèn halogen
bốc hơi. Sử dụng đèn halogen có cường độ ánh sáng, tuổi thọ cao hơn bóng đèn dây tóc thường và dây tóc bóng đèn halogen có thể được chế tạo có đường kính nhỏ hơn so với các bóng đèn dây tóc vì vậy có thể điều chỉnh tiêu cự bóng đèn
dễ dàng chính xác hơn.
c. Đèn Xenon:
Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của đèn Xenon giống như hiện tượng sét phóng điện xảy ra trong tự nhiên khi trời mưa. Những tia sét phóng điện giữa những đám mây tích điện và bề mặt trái đất sinh ra những luồng ánh sáng cường độ cao trong không trung, đây là ý tưởng manh nha cho những nhà chế tạo nảy ra ý tưởng sản xuất ra đèn Xenon có thể sinh ra ánh sáng cường độ cao thay thế cho những thế hệ đèn dây tóc và halogen ngày càng trở nên già cỗi.
Năm 1992, nhà sản xuất bóng đèn xe hơi hàng đầu thế giới Jella giới thiệu bóng đèn Xenon đầu tiên, sản xuất theo công nghệ phóng điện cường độ cao – High Intensity Discharge (HID). Đèn xenon lúc này chủ yếu chỉ dùng cho chế
độ đèn cốt, vì bóng đèn Xenon chỉ có một chế độ không giống như đèn sợi tóc
Hình 3.24 Bóng đèn Xenon
có thể có hai tim, chóa đèn dùng cho đèn xenon phải có chóa đèn pha và chóa đèn cốt riêng biệt.
Năm 1999, đèn Bi - Xenon ra đời khắc phục được khuyết điểm này của đèn Xenon, nó có thể tạo ra ánh sáng pha và cốt từ một luồng ánh sáng, phát ra ánh sáng giống nhau cho pha và cốt. Tiết kiệm năng lượng hơn.
Về cấu tạo:
Đèn Xenon theo nguyên lý phóng điện cường độ cao giữa hai bản cực để sinh ra luồng sáng vì vậy không có dây điện trở volfram như đèn sợi đốt và đèn halogen, thay vào đó là hai bản điện cực đặt trong ống huỳnh quang, ống huỳnh quang này bên trong có chứa khí Xenon hoàn toàn tinh khiết, thủy ngân và các muối kim loại halogen. Khi đóng nguồn điện đặt vào hai đầu của hai điện cực này một điện áp lớn hơn điện áp đánh thủng (lớn hơn 25000V) xuất hiện sẽ xảy
ra hiện tượng phóng điện giữa các bản cực do các hạt electron phóng ra va đập với các nguyên tử kim loại của bản đối diện giải phóng năng lượng tạo ra ánh sáng. Sự phóng điện cũng kích thích các phân tử khí trơ Xenon lên mức năng lượng cao, sau khi bị kích thích các phân tử Xenon sẽ giải phóng năng lượng để trở về trạng thái bình thường, bức xạ ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ. Màu của ánh sáng phát ra (hay bước sóng của bức xạ) phụ thuộc vào mức độ chênh lệch năng lượng của electron và vào tính chất hóa học của muối kim loại được dùng trong bầu khí Xenon. Vỏ đèn Xenon được làm từ thủy tinh thạch anh có thể chịu được nhiệt độ và áp suất rất cao.
Do sự phóng điện sinh ra luồng sáng chỉ xảy ra giữa các bản cực đèn Xenon khi đặt vào nó một điện áp cao trên 25000 V nên để có thể tạo ra được điện thế cao như vậy, hệ thống cần có một bộ khởi động (ignitor). Ngoài ra, để duy trì tia hồ quang, một chấn lưu (ballast) sẽ cung cấp điện áp khoảng 85 V trong suốt quá trình đèn hoạt động, đây vừa là bộ xử lý của đèn Xenon vừa làm nhiệm vụ tăng áp cho bóng đèn.
Hình 3.25 Sơ đồ cấu tạo của đèn Xenon
Ánh sáng của đèn Xenon phát ra:
Tùy thuộc vào tính chất hóa học của loại muối kim loại chứa bên trong mà ánh sáng của đèn Xenon phát ra cũng khác nhau. Ðộ Kelvin và Lumens là 2 đại lượng đặc trưng cho màu sắc (độ trắng) và độ sáng của đèn sẽ phát ra.
Ở 4300 K đèn tạo ra khoảng 3100 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp 3 lần của loại đèn Halogen và tạo ra nhiệt độ màu sáng nhất, ánh sáng có
Hình 3.26 Dãy màu mà đèn Xenon phát ra
màu trắng hoàn toàn và sẽ chuyển sang hơi vàng nhạt khi phản xạ đồng nhất trên đường. Loại đèn này được dùng ở trên các loại xe sử dụng nhiều về đêm và
đi đường đồi núi nhằm tối ưu tầm nhìn.
Ở 6000 K đèn tạo ra khoảng 2900 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp 3 lần của loại đèn Halogen và mỏng hơn so với ở 4300 K. Mặc dù phát ra ánh sáng ít hơn, nhưng phát ra ánh sáng trắng hơn với màu xanh nhạt.
Ở 8000 K đèn tạo ra khoảng 2500 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp 3 lần của loại đèn Halogen và mỏng hơn và phát ra ánh sáng ít hơn đồng thời xanh hơn so với ở 6000 K. Ðây là một trong những màu được lựa chọn sử dụng ở trên xe.
Ở 10000 K đèn tạo ra khoảng 2300 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp 2 lần của loại đèn Halogen. Ở 10000 K phát ra dãy ánh sáng xanh thẩm đến tím sau đó chuyển sang xanh đậm hơn so với 8000 K.
Ở 12000 K đèn tạo ra khoảng 2000 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp 2 lần của loại đèn Halogen. Ðây là nhiệt độ màu có màu xanh thẩm tím và màu đậm hơn so với 10000 K. Sản phẩm này được được khách hàng sử dụng vì phát ra ánh sáng tối ưu và lạ mắt nhất.
Các loại chân đế bóng đèn Xenon:
Chân đế tiêu chuẩn của loại đèn này có dạng tròn là D2S, D2R hoặc dạng chân đế vuông là D1S, D1R. Trong đó:
3.4.1.2 D2S: Là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa (ký tự
S lấy từ chữ shield - tấm chắn) và có thấu kính giúp gom ánh sáng không làm chói xe lưu thông ngược chiều.
Hình 3.27 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2S
3.4.1.3 D2R: Là loại bóng có sắn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có mặt phản xạ (ký tự R lấy từ chữ reflector - phản xạ). Có 1 lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe ngược chiều.
3.4.1.4 D1S: Là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa và có
thấu kính giúp gom được nhiều ánh sáng hơn (được tích hợp bộ khởi động).
3.4.1.5 D1R: Là loại bóng có sắn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có
mặt phản xạ. Có 1 lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe ngược chiều (được tích hợp bộ khởi động).
Hình 3.30 Cấu tạo bóng đèn D1R
Ðối với từng loại bóng đèn thì bộ ballast sẽ được thiết kế riêng phù hợp để phù hợp với từng loại chân đế.
Hình 3.28 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2R
Hình 3.29 Cấu tạo bóng đèn D1S
Hình 3.31 Ballast đèn D1 và Ballast đèn D2
Phương pháp lắp ráp đối với từng loại bóng đèn:
3.4.1.6 Đối với bóng D2:
3.4.1.7 Đối với bóng D1:
Lợi ích của đèn Xenon:
- Ðầu tiên, tuổi thọ của đèn Xenon cao gấp 10 lần đèn halogen và đèn sợi đốt, do dây điện trở volfram của đèn halogen và sợi đốt rất dễ đứt do bị
va đập hoặc hao mòn trong quá trình sử dụng, còn đèn Xenon chỉ đơn giản gồm hai bản cực phóng điện, được cố định bởi lớp vỏ thạch anh, chỉ có thể hư nếu bóng đèn bị vỡ. Trung bình đèn halogen chỉ có thời gian sử dụng từ 300 – 1000 giờ, còn đèn Xenon là 3000 giờ.
- Thứ hai là ánh sáng do đèn Xenon sinh ra là loại ánh sáng trắng xanh rất giống ánh sáng ban ngày trong khi đèn halogen chỉ sinh ra ánh sáng màu vàng, điều này có ý nghĩa giúp người điều khiển xe dễ dàng quan sát khi lái xe với hình ảnh thậtt hơn, rõ nét hơn. Vì vậy với công nghệ sinh
ra luồng sáng cường độ cao (HID) đặc biệt có ý nghĩa tăng tính an toàn khi lái xe ban đêm.
- Theo các nghiên cứu để có thể phản ứng và xử lý các chướng ngại vật khi đang lái xe với tốc độ 100km/h người lái xe phải quan sát được các tín
Hình 3.32 Sơ đồ kết nối bóng đèn D2 với Ballast Hình 3.33 Sơ đồ kết nối bóng đèn D1 với Ballast
hiệu giao thông trước đó 70 m, vì vậy để đảm bảo an toàn chúng ta cần ít nhất 2,5 giây để phản xạ trước các biến cố xảy ra trên đường. Ðèn Xenon với chùm ánh sáng dài, tầm quan sát rộng có thể đáp ứng được những yêu cầu này.
- Một ưu điểm nữa của đèn Xenon là tiết kiệm năng lượng hơn so với đèn sợi đốt do không phải tốn năng lượng để đốt nóng dây tóc nên tiêu thụ chỉ bằng 1/3 so với đèn sợi đốt, đèn halogen. Mà cường độ sáng lại cao hơn gấp 2 - 3 lần, một bóng Xenon 35 W cho độ sáng tương đương bóng halogen 100 W.
Hình 3.34 Hiệu quả của hai loại đèn trên đường
Hãng Hella đã có một bước phát triển xa hơn. Từ năm 1999, hệ thống đèn Bi- Xenon được sử dụng, nó có thể sinh ra tia sáng cốt và pha từ cùng một nguồn sáng. Thuận lợi là tiêu thụ năng lượng giảm hơn nữa mở ra những khả năng mới cho các nhà thiết kế, phát ra ánh sáng giống nhau cho pha và cốt.
Mạch nguyên lý hoạt động đèn Xenon:
Hình 3.35 Sơ đồ khối hệ thống đèn Xenon
Hình 3.36 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 dòng điệ n cung cấp cho các bóng đèn để đảm bảo cường độ đèn phát sáng liên tục, ổn định. Cung cấp dòng khởi động với cường độ và điện áp cao, đảm bảo đèn khởi động nhanh. Bộ Ballast còn được trang bị chức năng an toàn 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 (9 - 16V), và 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 không sáng thì phải thay bộ Ballast.
+ Ngắt điện nếu không có bóng đèn hay bóng đèn cao áp cháy: Nếu không
có bóng đèn hay đèn cao áp cháy thì mạch điện không được khép kín, bộ Ballast
sẽ nhận biết được và tự động ngắt điện.