Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

Dn = n1 - n2

n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,

n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

1.4 Основа проекта

Основу проекта составляет унифицированный оптический элемент фары транспортного средства принципиально новой конструкции, обеспечивающей реализацию на его базе всех необходимых режимов освещения (дальнего света, ближнего света, противотуманного и рабочего освещения) при достижении минимальных габаритов, массы, потребляемой мощности, а также использовании для изготовления основных конструктивных элементов нетермостойких пластмасс.



1.4.1 Предлагаемая конструкция

Достижение перечисленных свойств оптического элемента обусловлено использованием оригинальной, не имеющей аналогов, светооптической схемы фары, в которой в качестве элемента, определяющего форму и характер светораспределения, используется волоконно-оптический преобразователь изображения.

Предлагаемая для реализации в конструкции унифицированного типового ряда фар светооптическая схема, в общем виде показанная на рисунке 1.11, содержит:

Многокристальный светодиод с повышенной светоодачей, установленный на расстоянии 1 mm от входного торца ВОП;

Волоконно-оптический преобразователь изображения (фокон) с двумя рабочими торцами - входным, имеющим форму светодиодного кристалла, и выходным, имеющим форму, зеркально соответствующую форме, создаваемого фарой светораспределения.

Конденсорной асферической линзы.

При этом волоконно-оптический преобразователь изображения установлен так, чтобы его выходной торец был расположен в фокальной плоскости асферической линзы (см. рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 Предлагаемая светооптическая схема

Излучение от кристаллов светодиода через защитную линзу диода, установленного непосредственно перед входным торцом ВОП, попадает таким образом на его входной торец, имея форму, соответствующую форме выходной оптики диода, в силу его конструкции, после чего излучение проходит по волокнам волоконно-оптического преобразователя изображения и заполняет его выходной торец. В результате на выходном торце сформируется изображение высокой яркости с конфигурацией границ, зеркально соответствующих границам создаваемого фарой режима светораспределения. Затем, поскольку выходной торец волоконно-оптического преобразователя расположен в фокальной плоскости проецирующей линзы, изображение светлой зоны, сформированное волоконно-оптическим преобразователем на его выходном торце, проецируется на дорожное полотно перевернутым, формируя тем самым заданное формой выходного торца светораспределение.

Для сравнения эффективности работы предлагаемой светооптической схемы следует рассмотреть устройство и работу традиционной проекторной фары с близкими габаритными размерами. Наиболее близкой по внешнему виду и диаметру выходного отверстия линзы является проекторная фара с полиэллипсоидным отражателем фирмы C.E.V. (Италия), светооптическая схема которой с эпюрой светораспределения тела накала источника света, расположенного соосно оптической оси полиэллипсоидного отражателя показана на рисунке 1.12

Рисунок. 1.12

Такая фара содержит:

полиэллипсоидный отражатель 1 с первым единым фокусом 1.1 для всех образующих полиэллипсоидной поверхности и группой переменныхвторых фокусов от 1.2 до l.n для образующих каждой четверти полиэллипсоидной поверхности отражателя 1;

источник света 2 с телом накала 3, расположенном либо соосно оптической оси отражателя 1, либо незначительно поднятым над осью в области первого его фокуса 1.1;

экран Петцваля 4, установленный в области первой фокальной

плоскости 1.1 (в оптимальном варианте несколько смещенным к вершине отражателя) и незначительно опущенным вниз от оптической оси с конфигурацией верхней границы, зеркально совпадающей по форме с формой границы создаваемого фарой режима освещения, т.е. экран устанавливается только при реализации режимов освещения, имеющих ярко выраженную светотеневую границу (ближний свет, противотуманное освещение и т.п.);

Рисунок. 1.13 Светооптическая схема фары традиционной конструкции

корпус 5 с проецирующей конденсорной асферической линзой 6, установленной так, чтобы ее фокальная плоскость 7 совпадала с положением вершины экрана 4 или несколько смещена от него в сторону линзы.

Работает такая светооптическая схема следующим образом (см. рисунок 1.14).

Принцип работы светооптической схемы традиционной полиэллипсоидной фары в режиме "ближний свет"; а- светооптическая схема в аксонометрии; б- ход лучей в конструкции фары ближнего света фирмы C.E.V. - сечение вертикально проецирующей плоскостью; в- ход лучей в конструкции фары ближнего света фирмы C.E.V. - сечение

Рисунок 1.14 Принцип действия традиционной полиэлипсоедной фары

Излучение от тела накала 3 источника света 2 падает на полиэллипсоидный отражатель 1, от которого отражается в направлении группы вторых фокусов от 1.2 до 1 .п, формируя изображение тела накала 3 в соответствующих для каждого из аксиальных сечений полиэллипсоидного отражателя 1 фокальных плоскостях от F1.2 до Fl.n, после чего изображение светлой зоны, сформированное отражателем 1 над экраном 4, проецируется линзой 6. При этом, поскольку положение экрана 4 совпадает с фокальной плоскостью линзы 6 и имеет зеркальную форму границ создаваемого режима освещения, его изображение будет весьма контрастным, а форма границ - соответствующей реализуемому светораспределению.

Сравнительный анализ двух вариантов конструкции при использовании источников света одинаковой мощности, например, лампы категории Н8 мощностью 35W, показывает возможность достижения более высоких значений светотехнических параметров у предлагаемого варианта конструкции, что обеспечивается:

во-первых, более полным использованием энергии излучения источника света за счет большего угла охвата (угол ф) отражателя;

во-вторых, отсутствием экрана, формирующим темную зону светораспределения режимов ближнего и противотуманного света, на котором в конструкции традиционной проекторной полиэллипсоидной фары экранируется часть световой энергии, концентрируемой отражателем (см. рисунок 1.15). Любые попытки максимально использовать световой поток источника света приводят к существенному увеличению габаритов фары.

Рисунок. 1.15 Светооптическая схема и конструкция современных традиционных фар с полиэллипсоидным отражателем (PES) фирмы "Bosch": а - PES; b - PES PLUS; с - PES PLUS с кольцевым дополнительным отражателем; 1 - отражатель; 2 - экран; 3 - линза; 4 - корпус; 5 - рассеиватель

В-третьих, работа конструкции полиэллипсоидного отражателя предполагает распределение максимальной концентрации отраженного излучения между группой его вторых фокальных точек от 1.2 до l.n, и в области, прилегающей к фокальной плоскости линзы, проходящей через фокальную точку 1.2, оказывается сконцентрированным излучение от незначительной поверхности отражателя, при этом остальные вторые фокальные точки отражателя, в которых практически концентрируется вся световая энергия источника света, будут расфокусированы по отношению к линзе, что в результате препятствует достижению предельных светотехнических характеристик режимов ближнего света и противотуманного освещения и практически исключает достижение качественного (конкурентоспособного), по сравнению с традиционной прожекторной конструкцией, режима дальний свет без увеличения мощности источника света и диаметра линзы. Это утверждение достаточно ярко иллюстрируется характером использования проекторных фар с полиэллипсоидным отражателем на современных автомобилях, где в подавляющем большинстве случаев используется смешанный вариант компоновки блок-фары, включающей проекторные оптические элементы ближнего и противотуманного света, и вопреки стилистике и конструктивно-технологической унификации, прожекторной - дальнего.

Рисунок 1.16 Работа традиционной полиэллипсоидной фары конструкции фирмы C.E.V. в режиме «дальний свет»

При реализации режима «дальний свет» в такой конструкции не спасает уменьшение эксцентриситета полиэллипсоида (см. рисунок 1.16), поскольку это приводит к вырождению полиэллипсоидной поверхности в сторону осесимметричного полиэллипсоида, и, как следствие, увеличению углов падения отраженного излучения часть которого в этом случае просто не попадает на поверхность линзы разумно ограниченного диаметра

В предлагаемой конструкции этих проблем не возникает, поскольку все излучение от источника света концентрируется, попадая на входной торец волоконно-оптического преобразователя изображения, передается через его соответствующие волокна на выходной торец с минимальными потерями, формируя на последнем зону максимальной освещенности, которая полностью находится в фокальной плоскости линзы и после ее проекции, по существу, является зоной максимальной освещенности в светораспределении фары.

В-четвертых, так как формирование изображения тела накала отражателем во второй его фокальной плоскости сопровождается увеличением его реального размера, определяющего в конечном итоге степень концентрации излучения отражателем и в результате значение максимальной освещенности, создаваемого фарой, то очевидно, что уменьшение этого изображения за счет выполнения волоконно-оптического преобразователя изображения с отношением площадей его входного торца (SBX) к выходному (SBЫХ) меньшим единицы, позволяет получить уменьшенное изображение зоны максимальной освещенности на выходном торце, а, следовательно, еще больше увеличить значения максимальной освещенности в соответствующей зоне светораспределения фары. Добиться подобного эффекта в традиционной конструкции невозможно по определению.

В-пятых, поскольку в предлагаемой конструкции фар создаваемое светораспределение определяется формой и размерами выходного торца волоконно-оптического преобразователя изображения, ограниченного со всех сторон, оно имеет расчетные оптимальные с позиций реализации того или иного режима размеры, т.е. вся световая энергия источника света сконцентрирована в пределах границ, необходимых для обеспечения безопасности дорожного движения и комфортной работы водителя в темное время суток, оговоренных Правилами ЕЭК ООН плюс некоторый запас для соответствующего светораспределения (режима освещения), в то время как в фаре традиционной конструкции характер рассеяния светового пучка неоптимален и часть световой энергии расходуется на освещение лишних -неработающих участков высвечиваемых площадей, что также приводит к нерациональным ее потерям.

Таким образом, совокупность перечисленных особенностей предлагаемой конструкции позволяет настолько эффективно использовать световой поток источника света, что обеспечивает возможность реализации практически любого режима освещения при меньших значениях мощности используемого источника света, в нашем случае предлагается использовать светодиод мощностью 35 Ват и светоодачей 64 Люмен на Ват, в то время как для реализации режима «дальний свет» с относительно невысокими значениями нормируемых параметров в традиционной конструкции проекторной фары фирме C.E.V. (Италия) пришлось использовать лампу категории НВЗ мощностью 60W и световым потоком 1800 лм. Аналогично для ближнего света

1.4.2 Вывод

Из приведенного анализа следует как минимум три вывода:

для достижения приемлемого результата в фарах предлагаемой конструкции можно использовать, если это позволяет нормативная документация, источник света меньшей мощности

удовлетворительный результат с позиций конкурентоспособности может быть достигнут при использовании в конструкции линз меньшего диаметра - 60 мм и 50 мм

удовлетворительный результат может быть получен при

использовании линзы Френеля, но в этом случае, так как при ее использовании потери могут составлять до 25...35%, мощность источника света должна быть номинальной

1.4.3 Преимущества фары предложенной конструкции

Кроме того, сравнительный анализ конструкции традиционной проекторной фары и предлагаемой конструкции фары показывает ряд преимуществ последней.

1.4.3.1 Возможность исключить в картине светораспределения предлагаемой конструкции последствий хроматической аберрации

Это объясняется принципиальной разницей в способах формирования светораспределения режимов освещения, в поле которых присутствует светотеневая граница (ближний свет, противотуманное освещение).

Суть проблемы состоит в том, что в традиционной конструкции проекторной фары темная область светораспределения формируется проекцией асферической линзой экрана, верхний край которого практически определяет форму светотеневой границы. При этом процесс проецирования экрана сопровождается разложением белого света на спектральные составляющие, т.е. линза в данном случае работает как призма (см. рисунок 1.17) и вдоль светотеневой границы светораспределения формируются разноцветные полосы, воспринимаемые встречным водителем при разъезде на разных дистанциях «С», «3» и «К» по-разному от синего до пурпурно красного, что в результате создает не только дискомфорт при восприятии, но и провоцирует ДТП, так как красный цвет свидетельствует о попутном направлении движения, а на самом деле происходит встречный разъезд.

Рисунок 1.17 Характер хроматической аберрации в традиционных полиэллипсоидных фарах



Рисунок 1.18 Действующие и перспективные требования к противотуманным фарам

Рисунок 1.19 Ход лучей, вышедших из волоконно-оптического преобразователя



В предлагаемой конструкции этот недостаток полностью отсутствует, так как формирование светотеневой границы в светораспределении осуществляется проекцией сразу всего выходного торца волоконно-оптического преобразователя изображения (см. рисунок 1.19), нижний край которого имеет соответствующую по форме границу, при этом , поскольку из каждого отдельного волокна волоконно-оптического преобразователя изображения излучение выходит в пределах одного и того же апертурного угла (свойство волокна), на приемную поверхность линзы, в каждую ее точку, оно попадает под разными углами. В результате световые лучи, преломляясь на ней, перемешиваются, исключая тем самым хроматическую аберрацию. Возможность достижения уровня градиента изменения освещенности в вертикальной плоскости в светораспределении режимов «ближний свет» и противотуманное освещение, исключающего необходимость использования автоматического корректора, что обусловлено как уже изложенными в предыдущем абзаце особенностями формирования светотеневой границы, так и тем, что в процессе работы волоконно-оптического преобразователя изображения его боковая поверхность оказывается подсвеченной выходящей наружу через внешнюю оболочку волокна незначительной частью излучения. При этом, поскольку она (боковая поверхность) расположена за фокальной плоскостью линзы, т.е. оказывается расфокусированной, то создает при проецировании линзой выходного торца незначительный фон в переходной от света к тени области по всей длине светотеневой границы, которая в результате оказывается «мягче», т.е. менее контрастной, чем в традиционной конструкции проекторной фары. Сказанное подтверждается результатами исследований (см. графики на рисунке.1.20), проведенными на фирме C.E.V., откуда видно, что кривая, соответствующая предлагаемой конструкции фары, имеет меньший градиент освещенности, обеспечивающий работу фар без автоматического корректора.

Рисунок 1.20 Изменение освещенности в вертикальной плоскости, проходящей через светотеневую границу

1. Традиционная полиэллипсодная фара (фирмы C.E.V.)

2. Фара предлагаемой конструкции с пластмассовой линзой

3. Прожекторная фара

На значимости этого результата стоит остановиться отдельно. Дело в том, что наличие светотеневой границы в пучке ближнего света в «европейском свете» изначально предназначено для исключения ослепления водителей встречного транспорта. Однако, в ряде случаях (особенно в первый период введения Европейского стандарта на светораспределение) это не спасало по причине относительно низкого уровня качества собственно фар, узких и не всегда ровных дорог при достаточно жесткой подвеске автомобиля и изменения положения кузова при изменении нагрузки на задний и передний мосты, что, в свою очередь, потребовало решения двух задач:

ужесточить светотеневую границу, т.е. увеличить градиент освещенности в вертикальной плоскости;

компенсировать изменение положения кузова при изменении нагрузки на передний либо на задний мост.

Обе задачи были решены в рамках прожекторной конструкции фар. В первом случае за счет существенного улучшения качества элементов конструкции фары, влияющих на уровень этого параметра. Во втором -- введением в конструкцию фары корректора на два фиксированных положения. Разработанные при этом автоматические корректоры непрерывного действия особого распространения не получили в основном из-за относительно высокой цены. Однако в сознании разработчиков световых приборов сложилось устойчивое убеждение «буквально на уровне рефлексии» - чем контрастнее светотеневая граница фары, тем она (фара) лучше. Поэтому появление фар проекторного типа, в которых высокий уровень градиента освещенности является, как уже было показано, непреодолимым свойством конструкции, было воспринято разработчиками с убеждением окончательного решения этой проблемы. Однако в процессе эксплуатации выяснилось, что очень контрастная светотеневая граница при значительных уровнях освещенности в светлой зоне светораспределения не только создает повышенный уровень ослепления водителей встречного транспорта, но и вызывает дискомфорт «хозяина» из-за колебаний четко выраженной границы с частотой колебания подвески транспортного средства.

В результате после бесплодных попыток уменьшить градиент освещенности в вертикальной плоскости было принято решение, зафиксированное в соответствующих документах, об использовании проекторных фар только при наличии автоматического корректора постоянного действия, что в значительной мере снизило эффект от их использования, поскольку выросла цена на изделие, увеличилась его масса и возросла совокупная потребляемая мощность, т.е. проявились практически все недостатки, с которыми так долго боролись.

Тем не менее, представление о том, что высокая контрастность светотеневой границы характеризует уровень качества фары, укоренилась и сознательно поддерживается ведущими фирмами («Bosch», «Hella» и др.), выпускающими как сами фары, так и автоматические корректоры, из чисто коммерческих соображений, преодолеть которые будет весьма сложно, но необходимо, поскольку предлагаемый конструктивный вариант относится к категории проекторных и, несмотря на то, что по уровню градиента освещенности в этом варианте автоматический корректор не нужен, по чисто формальным признакам его использование могут потребовать разработчики автомобиля.

1.4.3.2 Возможность использования в качестве материала линз пластмассы

Это преимущество предлагаемой конструкции также вытекает из особенностей светооптической схемы, согласно которой весь сконцентрированный отражателем световой поток проходит через волоконно-оптический преобразователь изображения. В этом случае тепловая энергия из-за плохой теплопроводности стекла будет аккумулироваться в массе стекла волоконно-оптического преобразователя и передаваться через монтажный фланец на корпус фары и далее на элементы крепления и кузов транспортного средства, на котором будет рассеиваться. На линзу будет попадать незначительная часть тепловой энергии, и ее температура даже при длительной работе в стационарных условиях не будет превышать 65 °С, что позволяет использовать качестве ее материала полиметилакрилат.

В традиционной конструкции проекторной фары большая часть отраженного рефлектором излучения попадает на линзу, нагревая ее, как это видно из эпюры распределения температур, полученной при тех же условиях до 140 °С, что исключает использование в качестве материала пластмассы и, как следствие, увеличивает массу изделия.

1.4.3.3 Возможность выполнения просторных фар с любой конфигурацией светового отверстия

Как уже отмечалось в сравнительном анализе традиционной конструкции проекторной фары и фары предлагаемой конструкции, последняя имеет не только значительный запас по светотехническим характеристикам, но и относительно небольшую температуру на поверхности линзы, что позволяет использовать в качестве линзы пластмассовую линзу Френеля. Очевидно при этом, что она (линза) может иметь любую заданную дизайнерами конфигурацию, что оказывается принципиальным, поскольку не ограничивает общих для разрабатываемого объекта стилистических решений.

В традиционной конструкции проекторной фары использование пластмассовой оптики в подавляющем большинстве случаев невозможно, исключение составляют фары для мопедов (Правила №56), где используется лампа категории S3 мощностью 15 W с относительно низким световым потоком 240 лм, но и в этом случае линза может быть только традиционной конструкции, а, следовательно, только круглой формы, поскольку, в силу низкого К.П.Д. применение плоской линзы Френеля, имеющей собственные потери на уровне 25...35%, не позволяет достичь требуемых светотехнических характеристик.

Изготовление же традиционной стеклянной оптики произвольной формы практически нереально.

1.4.3.4 Возможность использования в качестве основного конструкционного материала для некоторых типов фар нетермостойкой пластмассы

Как уже указывалось ранее, высокая эффективность предлагаемой светооптической схемы позволяет создать значительный запас по светотехническим характеристикам и тем самым создает предпосылки для использования в большинстве случаев источников света с пониженной мощностью, например, лампы категории Н8 мощностью 35W. В свою очередь, и это очевидно, снижение мощности источника света должно привести к снижению теплового потока излучения как минимум в 1,4 раза.

В варианте использования лампы мощностью 35W, поскольку таких исследований не проводилось, можно предположить, что эти значения будут снижены в 1,4 раза и составят 130 °С на корпусе в месте его контакта с элементами узла регулировки и 105 °С на фланце отражателя и в его фокальной плоскости, обеспечивая тем самым возможность использования широкого ряда нетермостойких пластмасс отечественного производства.

1.4.4 Недостатки светооптической схемы

Однако следует отметить существенный недостаток светооптической схемы, выявленный при проведении экспериментальных исследований, а именно: при выполнении отражателя осесимметричным максимальная освещенность, как и предполагалось, формируется в центре входного торца волоконно-оптического преобразователя изображения и после прохождения излучения по волокнам последнего образуют зону максимальной освещенности в геометрическом центре выходного торца. В результате зона максимальной освещенности в светораспределении режимов освещения, в которых положение максимума освещенности должно быть близким к положению светотеневой границы (в режиме противотуманного освещения) будет опущена вниз от требуемого углового положения что существенно ухудшает характеристики фар и требует для их исправления введения в конструкцию дополнительного корректирующего экрана. В свою очередь, наличие экрана при существенном улучшении общей картины светораспределения снижает значения светотехнических характеристик, поскольку часть излучения, приходящая на вход волоконно-оптического преобразователя изображения, экранируется

Основная причина, вызывающая подобную ситуацию, заключается в том, что при формовке волоконно-оптического преобразователя изображения центральные волокна смещаются и их выход оказывается в геометрическом центре выходного торца.

Тем не менее, решение этой задачи возможно, для чего потребуется изменить форму отражателя для реализации конструкции фар ближнего света и противотуманного освещения таким образом, чтобы обеспечить несимметричное распределение освещенности на входном торце * волоконно-оптического преобразователя изображения, что принципиально возможно и теоретически выполнено. Кроме того, как показывают результаты испытаний фар для рабочего и противотуманного освещения, значения освещенности в некоторых точках, не соответствуют требуемым значениям.

В случае противотуманной фары это обусловлено светящейся боковой поверхности волоконно-оптического преобразователя, что легко устраняется ее покрытием специальным красителем или алюминиевой пленкой.

1.5 Общий алгоритм проектирования световых приборов с волоконно-оптическим преобразователем с применением светодиода

По заданным характеристикам источника света определяются геометрические параметры входного торца волоконно-оптического преобразователя.

По угловой апертуре светодиода задаются параметрами волоконно-оптического жгута (необходимо выполнение условия равенства угловых апертур). При выборе характеристик жгута следует учитывать и выходные апертурные углы светораспределения, так недопустимо использование волокна в системах освещения с числовыми апертурами более 0,5 , поскольку требования к светораспределению современных систем освещения не превышают 30 градусов. В случаях, когда невозможно сбалансировать выходные и входные апертурные углы, следует использовать в конструкции либо дополнительную конденсорную оптику, устанавливаемую на входе, либо выполнять волоконный жгут в виде фокона.

По площади выходного отверстия и значениям угловой апертуры на выходном торце и заданного характера светораспределения определяют геометрические параметры линзового рассеивателя и конфигурацию и геометрические параметры выходного торца преобразователя.

Затем проводят энергетический и светотехнический расчет системы, включающий:

определение освещенности и силы светового потока на входе волоконного жгута;

определение выходного светового потока на выходном торце с

учетом потерь на конденсаторной линзе, коммутационных узлах и по

длине жгута;

определение освещенности в контрольных точках светораспределения с учетом потерь на линзовом рассеивателе.

После этого приступают к разработке принципиальной схемы питания устройства, выбору основных элементов и компонентов схемы.

Завершающим этапом является тепловой расчет системы. Необходимость теплового расчета обуславливается применением довольно мощных полупроводниковых приборов, требующих интенсивного охлаждения в процессе их работы.

Таким образом, для проектирования необходимо разработать математическое описание модели формирования излучения на входе системы, модели прохождения излучения по жгуту с учетом потерь на коммутационных узлах, формирования светораспределения на выходе системы.

1.5.1 Методика формирования светового пучка на входе ВОП

Основными моментами реализации светооптической схемы является равенство площади изображения источника света и площади входного торца волоконно-оптического преобразователя, соблюдение апертурных углов Поскольку на данный момент среди многокристальных сверхмощных светодиодов представлены образцы с прямоугольной либо квадратной формой кристалла, целесообразно изготовить преобразователь таким образом, чтобы геометрические параметры входного торца соответствовали параметрам кристалла, что в свою очередь позволит отказаться от дополнительных конденсаторных линз и расположить светоизлучающий диод на достаточно малом расстоянии от конвертора.

Учитывая целесообразность минимизации размеров волоконно-оптического преобразователя параметры конструкции должны обеспечивать минимальное значение размера изображения источника света.

Это может быть достигнуто лишь перемещением светодиода вдоль оптической оси по направлению к торцу ВОП, при этом реализовать технические решения возможно при площади входного торца конденсатора Sвх не более 254 мм2, так как превышение этого значения ведет к увеличению площади выходного торца, а как следствие увеличению линзы рассеивания и размеров корпуса и элементов фары в целом.

Для определения Sвх необходимо знать:

Геометрические размеры кристалла СИД, ширину а, высоту b - мм, радиусы скруглений r, мм.

После этого вычисляется площадь излучающей поверхности:

Sиз = 1.5.1

Расстояние удаления излучающей поверхности светодиода от поверхности входного торца ВОП l

Угол распространения светового потока светодиода. Выбор этой величины обуславливается характеристиками оптического волокна, и в идеальном случае не должен превышать 30 градусов. Для его определения используют диаграмму направленности светораспределения из технического описания диода. В современных диодов достигается концентрация до 94% излучения в требуемом диапазоне. В связи с этим можно применять диоды с углом распределения потока близким к расчетным, а угол половинной яркости может находиться в пределах

1.5.2



На практике целесообразно выбирать источник света с как можно более сконцентрированным излучением, это позволит уменьшить потери в ВОП, обеспечить светораспределение в соответствии с нормами.

Затем вычислить исходя из приведенных данных по формуле Sвх 1.5.3

1.5.3

Где k1 - коэффициент подобия, который находиться по формуле 1.5.4:

1.5.4

В которой: l- расстояние от поверхности излучающей поверхности до входного торца преобразователя

Q - Апертурный угол

Далее необходимо определить форму входного торца конвертора. Она будет соответствовать спроецированной форме излучателя вдоль оптической оси с коэффициентом подобия k1.

Длина

Ширина

Радиус углового скругления



1.5.2 Методика определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода

Рисунок 1.21 Определение максимального апертурного угла

- предельный угол, разграничивающий внутри вещества зоны полного внутреннего отражения и пропускания .

Луч, прошедший в световод под углом , падает на его стенку под углом

1.5.5

Для полного внутреннего отражения от стенки световода нужно, чтобы этот угол отвечал условию 1.5.6:

1.5.6

Рисунок 1.22 Условие полного внутреннего отражения

Это условие выполнимо только при , отсюда определяется минимальное значение показателя преломления вещества по 1.5.7:

1.5.7

1.5.3 Методика расчета конфигурации выходного торца волоконно-оптического преобразователя

Геометрические параметры выходных отверстий ВОПИ фар

противотуманного освещения определяются, зная значения апертурных

углов корректирующей конденсорной линзы, входных и

выходных апертурных углов ВОПИ. При этом необходимо соблюсти условие

равенства входной и выходной площадей (S0=SBbIX) ВОПИ, а так же, зная

значение фокусного расстояния линзового рассеивателя F учесть

предельные углы рассеяния светового пучка в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Поскольку минимальные значения аП определяет зависимость

1.5.8

Где

F - фокусное расстояние линзового рассеивателя

- половина угла рассеяния соответствующего светового пучка в

горизонтальной плоскости.

Подставляя в нее соответствующие данные для выходных отверстий противотуманных:

1.5.9

Аналогично определяются минимальные значения

1.5.10

- половина угла рассеяния соответствующего светового пучка вертикальной плоскости, тогда:

1.5.11

Значения остальных геометрических параметров могут быть найдены решением соответствующих систем уравнений.

Для выходного отверстия волоконно-оптического преобразователя фары противотуманного освещения

Подставляя в полученные зависимости исходные данные получим значения геометрических параметров выходных отверстий волоконно-оптических преобразователей фар различного назначения.

1.5.4 Методика расчета проецирующей оптики рассеивателя

Значения геометрических размеров выходного торца волоконно-оптического преобразователя, соответствующих выбранному режиму освещения, значения выходной угловой апертуры волоконно-оптического преобразователя, а так же ограничения - заданная величина выходного отверстия светового прибора и требования по углам рассеяния соответствующего светораспределения позволяют определить необходимые конструктивные параметры проецирующей конденсорной линзы рассеивателя.

Поскольку приведенные выше зависимости определяют однозначную связь между габаритами выходного торца, фокусным расстоянием рассчитываемой линзы и углами рассеяния светового прибора, то с учетом выходной угловой апертуры световода и требованием минимальных искажений получаемого изображения можно определить профиль поверхности линзового рассеивателя.

Практика показывает, что при заданном диапазоне значений углов для всех типов светораспределения при поставленной цели наилучшим образом отвечает гиперболическая поверхность вида

1.5.13

Рисунок 1.23 Расчет параметров проецирующей линзы

Так как линза тонкая, то отсчёт расстояний до предмета d и до изображения f можно вести практически от одной точки О - оптического центра линзы. Показатели преломления сред, расположенных до и после линзы, обозначим соответственно через n1 и n2. (см. рисунок)

Лучи, исходящие от источника света S, лежащего на главной оптической оси, преломившись на передней поверхности линзы, пересекутся в некоторой точке S2, расположенной на расстоянии f1 от оптического центра.

Уравнение, позволяющее найти расстояние до изображения f, если известно расстояние до предмета d, радиусы кривизны обеих поверхностей линзы R1 и R2, показатель преломления вещества линзы n и показатели преломления сред, расположенных до и после линзы n1 и n2, а именно для линзы, расположенной в однородной среде (в воздухе), учитывая введенный относительный показатель преломления 1.5.14:

1.5.14

1.5.15

Диаметр линзы выбирается из условий соответствия корпусу и месту монтажа на автомобиле. Затем производиться расчет положения линзы относительно фокона.

1.5.5 Методика светотехнического расчета системы

Предлагаемая методика разработана для наиболее общего решения системы освещения.

В соответствии с принятой системой освещенность Ev в центре площадки So, находящейся на входном торце световодного жгута, определяется выражением 1.5.16

1.5.16

а световой поток соответственно по 1.5.17

1.5.17

Где

L - яркость источника света

Q - апертурный угол источника света

Световой поток на выходе из световода будет равен

1.5.1

А - числовая апертура световода

1.5.19

n - коэффициент преломления оболочки световода

n- коэффициент преломления сердцевины световода

- коэффициент упаковки волокон в жгут

- коэффициент рассеяния и поглощения сердцевины световода f(n,l)

Следовательно, если выходному торцу световода, площадь которого SBых=S0, придать конфигурацию совпадающую зеркально по форме сзаданным светораспределением где а - светораспределение

противотуманного освещения, то после проектирования полученного на торце изображения линзовым рассеивателем окончательно формируется соответствующее конфигурации выходного торца светораспределение.

Необходимые углы в горизонтальной и вертикальной плоскостях светораспределения определяются в данном случае законами параксиальной

1.5.20

оптики и полностью зависят от размеров выходного торца и фокусного расстояния линзового рассеивателя.

1.5.21

а - расстояние от оптической оси до края выходного торца световода в вертикальной плоскости

В - расстояние от оптической оси до края выходного торца световода в горизонтальной плоскости

Значение светового потока в контрольных точках создаваемого светораспределения определяется зависимостью

1.5.22

Где В - яркость участка на выходном торце с координатами

- соответствующего при переносе координатам

- контрольной точки

D - площадь участка формирующего, соответствующее изображения на экране

телесный угол распространения светового потока

угол характеризующий направление излучения

Интегрируя выражение по соответствующей площади и апертуре получим

1.5.23

1.5.24

Аналогично может быть реализовано любое светораспределение, включая светораспределение сигнальных огней, для этого лишь необходимо на входе световода установить соответствующий светофильтр, а на выходе линзу с соответствующим фокусным расстоянием.



1.5.6 Методика теплового расчета

Исходные данные

tп.max=142 єC - максимальная температура перехода;

tj=131 єC рекомендуемая температура p-n перехода

If =3 А прямой ток

Vf = 10,5 В - прямое напряжение

tс=40 єC - температура окружающей среды

Rвн - внутреннее тепловое сопротивление прибора;

Ррас - мощность рассеиваемая прибором;

tc - температура окружающей среды;

Rкт - контактное сопротивление прибор - теплосток (величина Rкт лежит в пределах 0,1-1,0 град/Вт).

Последовательность расчета

1. Рассеиваемая мощность на светодиоде

Pрас=VfIf 1.5.25

Необходимо выполнить условие: Рmax ? Ррас

2. Тепловое сопротивление радиатор - среда

1.5.26

где q - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры по радиатору (q ? 0,9).

3. Среднеповерхностная температура перегрева радиатора

tT - tc =Ppac · Rтс 1.5.27



4.Для устройства данной конструкции находим площадь оребренной и неоребренной поверхности радиатора

Таблица 1.5.1 Материалы для радиаторов

	? , кг/м3	? , Вт/(м· ? С)
Медь Сплавы алюминия Сплавы магния Сталь Нержавеющая сталь	8960 2660 1760 7840 7840	370 160 170 55 14

Таблица 1.5.2 Степень черноты поверхностей некоторых материалов

Алюминиевый сплав с шероховатой поверхностью Алюминиевый сплав окисленный Алюминиевый сплав анодированный (черный) Медь окисленная	0,06-0,07 0,20-0,30 0,80-0,85 0,80-0,88

Целесообразность оребрения радиатора определяется по критерию Био по 1.5.28

Bi = 0,5??/? 1.5.28

Bi < 1 (ребро охлаждается), Bi >1 (ребро изолятор), Bi = 1 (ребро не влияет).

5. Всю поверхность радиатора разбивают на части:

S1 - поверхность ребер

S2 - неоребренная поверхность

S3 - поверхность крайних ребер;

S4 - поверхность торцов ребер;

6. Полные коэффициенты теплоотдачи оребренной и неоребренной поверхностей



? гл = ? л.гл + ? к.гл; ? ореб = ? л.ореб + ? к.ореб; ? л = ? п· ? ij· f(tт,tс). 1.5.29

Для поверхностей S1 и S2 коэффициенты взаимной облученности или рассчитываются по формуле:

. 1.5.30

Конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2· ? С)

?к = 5,62A(tм)· B 1.5.31

1.5.32

где tм = 0,5(tт + tc);.

Величина А(tм) учитывает свойства среды и находится по графику:

Рисунок 1.24 Влияние атмосферного давления на величину А(tм) находят из графика

8. Мощность, рассеиваемая гладкой поверхностью радиатора, Вт,

Pгл = ?гл · Sгл · (tт - tc). 1.5.33



9. Величина теплового сопротивления гладкой поверхности, ? C/Вт,

. 1.5.34

10. Мощность, рассеиваемая оребренной поверхностью

1.5.35

где Рi - мощность, рассеиваемая i-й поверхностью; tic - температура среды между ребрами.

Температура воздуха вблизи поверхностей S2; S3 и S4 равна tc.

Температура воздуха вблизи поверхностей S1 (между ребрами) равна

tic = tт - (tт - tc)· H 1.5.36

где H - относительный температурный напор, tт - среднеповерхностная температура теплостока.

Если ребра располагаются вертикально, то

Н = f(? ) 1.5.37

Где

? = А4(tм)bC, tм = 0,5(tт + tc), C= (tт - tc)1/4/(L)1/4 1.5.39

tci = tc для S3, S4, S5 1.5.40

tci = tic для S1 1.5.41

(конвективный коэффициент торцевых поверхностей ребер принимается равным крайним ребрам).

Рисунок 1.25 Критерии выбора коэффициента А

Общее тепловое сопротивление

1.5.42

Мощность, рассеиваемая радиатором, Вт

Робщ.расч= Ргл + Рореб. 1.5.43

Необходимо выполнить условие Робщ.расч ? Рисх (расч).

Рисунок 1.26 Предельно допустимые значения H



1.5.7 Методика расчета схемы питания

Требования к электрической схеме питания

Поставлена задача разработки и расчета электрической схемы питания противотуманной фары на светодиоде.

Из-за особенностей используемого СИД разрабатываемая электрическая схема питания должна обеспечивать следующие факторы:

обеспечивать надежное питание светодиода, учитывая номинальное напряжение светодиода, В;

обеспечивать достаточную мощность и силу тока для питания светодиода;

для обеспечения снижения нагрева светодиода и улучшения визуального восприятия подаваемое напряжение должно быть переменным и иметь частоту не менее 6 кГц;

элементы конструкции должны быть устойчивы к повышенным и к пониженным температурам, вибрациям и ударам, возникающим при эксплуатации автомобиля;

быть компактной и обеспечивать достаточный теплоотвод от элементов, входящих в схему, которые могут выделять большое количество тепла и не должны быть подвергнуты перегреванию;

Соответствовать ГОСТ и требованиям, выдвигаемым к электрооборудованию, устанавливаемому на автомобильный транспорт, который эксплуатируется на территории РФ;

Обеспечивать минимально возможную себестоимость элементов конструкции при максимальной эффективности;

В настоящее время электронная промышленность вышла на новый уровень развития, на рынке широко распространены компоненты SMD, позволяющие уменьшить массогабаритные показатели в несколько раз, а так же чипы-сборки, объединяющие в одном корпусе операционные усилители, генераторы частоты, компараторы и ключевые коммутационные элементы. Так называемые драйверы специально разработаны для применения в схемах питания светодиодов и могут быть использованы как без дополнительного ключевого транзистора, при коммутации небольших токов, так и в совокупности с мощными высокочастотными ключами. Расчет номиналов элемнтов производиться в соответствии с выбранной компоновкой, требуемыми значениями тока и напряжения питания.

1.6 Расчет системы

1. Расчет формы светового пучка на входе системы

Геометрические размеры кристалла СИД:

ширина а=15мм

высота b=15 мм

радиусы скруглений r=1,5мм.

После этого вычисляется площадь излучающей поверхности:

Sиз = =223,07 мм2 1.5.1

Расстояние удаления излучающей поверхности светодиода от поверхности входного торца ВОП

l=1мм

выбирается минимальным из соображений компактности

Определяем угол оптимального распространения светового потока, используя диаграмму направленности светораспределения диода из каталога:

Q=12є 1.5.2

Находим k1 - коэффициент подобия



1.5.4

Форма входного торца конвертора:

Длина

Ширина

Радиус углового скругления

Площадь

1.5.4

2. Определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода

Определяется минимальное значение показателя преломления вещества

1.5.7

3. Расчет конфигурации выходного торца ВОП

1.598

1.5.11

1.5.12

Расчет проецирующей оптики рассеивателя



1.5.15

Отсюда f=18мм данная линза отвечает требуемым параметрам

Диаметр линзы D выбираем равным 60мм, что позволит применить стандартные изделия. волоконный оптический преобразователь фара

Светотехнический расчет системы

В соответствии с принятой системой освещенность Ev в центре площадки So, находящейся на входном торце световодного жгута, определяется выражением, в котором:

L = 2863Lx - яркость источника света

Q - 12 є - апертурный угол источника света

1.5.16

Световой поток на выходном торце ВОП

1.5.18

k=0,95 - коэффициент, учитывающий световые потери в ВОП

Освещенность центральной точки выходного торца ВОПИ

1.5.19

Размеры изображения на экране и освещенность центральной точки

Размеры изображения находим методом подобия:

А=14433,8мм 1.5.20

В=9596,6 мм 1.5.21

S= 108,7-106 мм2

S /S2= 108,7 * 106/230,49 =49901 из 1.5.1

Освещенность центральной точки:

Е = 39,9 * 104 / 49901 =9 Lx 1.5.24

Тепловой расчет

Исходные данные

tп.max=142 єC - максимальная температура перехода;

tj=131 єC рекомендуемая температура p-n перехода

If =3 А прямой ток

Vf = 10,5 В - прямое напряжение

tс=40 єC - температура окружающей среды

Rвн - внутреннее тепловое сопротивление прибора;

Ррас - мощность рассеиваемая прибором;

Rкт - контактное сопротивление прибор - теплосток (величина Rкт лежит в пределах 0,1-1,0 град/Вт).

Рассеиваемая мощность на светодиоде

Pрас=VfIf = 32,4 Вт 1.5.25

Необходимо выполнить условие: Рmax ? Ррас

Тепловое сопротивление радиатор - среда



1.5.26

Среднеповерхностная температура перегрева радиатора

tт - tc =Ppac · Rтс=46,66 1.5.27

Всю поверхность радиатора разбивают на части:

S1= 2730,5мм2 - поверхность ребер

S2=6874мм2 - неоребренная поверхность

S3 = 3120,6мм2 -поверхность крайних ребер;

S4 = 441мм2 -поверхность торцов ребер;

Критерий БИО:

Bi = 0,5??/? = 0.5387<1, Ребро охлаждается 1.5.28

Полные коэффициенты теплоотдачи:

? гл = ? л.гл + ? к.гл = 19,487 1.5.29

? ореб = ? л.ореб + ? к.ореб = 41,631

Коэффициенты взаимооблученности игольчатых ребер:

1.5.30

Мощность рассеиваемая гладкой поверхностью радиатора:

1.5.33

Величина теплового сопротивления гладкой поверхности:

1.5.34

Мощность, рассеиваемая остальной поверхностью радиатора:

27.937 Вт

Величина теплового сопротивления остальной поверхности радиатора:

27.937 Вт 1.5.35

Общее тепловое сопротивление

1.5.42

Мощность рассеиваемая радиатором:

1.5.43

Необходимо выполнить условие:

Робщ.расч ? Рисх (расч)

Данное условие выполнятся: 40,121 Вт > 32.4 Вт

Электрическая часть

Предложена следующая принципиальная схема питания, в которую входит: Микросхема ZXSC-400 - высокочастотный стабилизатор тока, принцип действия которого основан на широтно-импульсной модуляции сигнала.

Резистор R3, конденсатор С2, стабилитрон VD1 служат для выбора рабочей точки питания микросхемы.

Конденсатор С1 является сглаживающим фильтром, предназначенным для защиты от внешних помех. Резистор R2 служит для настройки драйвера на требуемый ток, от этого резистора зависит скважность импульсов. Транзистор VT1 - высокочастотный ключ, рассчитанный на коммутацию больших токов. Далее в цепи применен RC фильтр на конденсаторе С3, и индуктивности L1, защищающий диод от резких бросков тока и напряжения, а также сглаживающий импульсы ШИМ микросхемы. Диод VD2 предназначен для защиты от высокого обратного тока.

ZXSC-400 - драйвер светодиода в корпусе типа SMD, предназначенный для поверхностного монтажа, рассчитанный на максимальный ток Imax=0.5 А Vпит=0,8-8 В, управляющий током, протекающим в цепи регулирования с частотой импульсов до 140 МГц

NTD14N03R - силовой транзистор, выполняющий коммутацию регулируемой цепи, способный выдерживать токи Imax=4.62 A в ключевом режиме, работать на частоте до 150 МГц, имеет время включения/выключения 37/425 нс. Umax=30 В

VD2 может быть любым с рабочим напряжение 30 В, рассчитанный на максимальный прямой ток 6 А. по параметрам подходит диод 60SQ030.

Исходя из документации драйвера вводится сглаживающий конденсатор С1 емкостью 10 мкФ, На максимальное напряжение 30 В

Конденсатор С3 подключается параллельно диоду. Его емкость должна быть не ниже 50 мкФ.

Часть схемы R3, VD1, C2 предназначена для питания микросхемы драйвера, применяем диод с максимальным прямым током I=0.5 А, резистор мощностью не менее 0,75 Вт

R2 - токозадающий резистор, в соответствии с таблицей устанавливаем с номиналом 8 Ом, мощностью 2 Вт, что позволит поддерживать ток в цепи равный 3 А

Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом, выбираем дроссель индуктивностью 22-23 мкГн, рассчитанный на ток 3,5 А

Для замещения противотуманных фар старого образца данная схема полностью отвечает требуемым параметрам. В перспективе развития и совершенствования автотракторного электрооборудования возможно:

Отказаться от применения реле противотуманных фар, а управление вести через контакт STDN микросхемы. При замыкании его на «массу» микросхема выходит из спящего режима, схема стабилизации начинает работать.

Приспособить противотуманные фары для использования в разных погодных условиях, разное время суток и при разных уровнях освещенности. Скважность импульсов преобразователя-стабилизатора прямопропорциональна импульсам, поступающим на контакт STDN микросхемы преобразователя, среднему току, протекающему в цепи.



2. Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения (ВОПИ)

Проектирование технологических процессов связано с решением комплекса задач, обеспечивающих повышение качества продукции, производительности труда и снижение трудовых затрат.

Из различных вариантов технологических требований, выбирают вариант с наименьшей себестоимостью обработки при условии, что производительность механической обработки сравниваемых вариантов не ниже заданной.

По воздействию факторов внешней среды и по степени влияния на безопасность движения осветительная аппаратура занимает особое место среди изделий АТЭ. Технологический процесс должен обеспечить высокую надежность, эффективность и экономичность использования осветительной аппаратуры. По величине допустимых погрешностей и по точности изготовления инструмента для операций изготовления основных элементов фар и фонарей процесс сравним только с изготовлением деталей микросхем.

2.1 Изготовление радиатора

Наиболее ответственной деталью данной фары является радиатор, от точности выполнения его размеров, качества обработки и покрытия поверхности зависит тепловой режим работы источника света - светодиода, что в свою очередь напрямую определяет срок его службы.

Радиатор представляет собой деталь сложной формы, получаемую литейным способом, обрабатываемую на токарном и фрезерном станках с последующим покрытием высокопрочными полимерными термоэмалями.



2.1.1 Изготовление заготовки

Для изготовления заготовки радиатора выбираем метод литья под давлением, В качестве материала берем сплав АЛ9 (силумин: Mg -0,2...0,5%; Si -6...8%; Fe - 1,3%). Машина для литья - литьевая машина модель 712106 с холодной горизонтальной камерой прессования

Литье под давлением - прогрессивный метод для получения тонкостенных отливок в условиях крупносерийного массового производства. Главным преимуществом этого способа является высокая производительность; точность геометрических размеров, хорошая чистота поверхности отливки. Сущность метода заключается в том, что расплавленный металл заполняет металлическую форму под давлением. Различают машины под давлением с вертикальной, горизонтальной горячей и холодной камерами прессования. Для получения ответственных деталей из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов применяют машины с холодной камерой прессования.

...