Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đèn pha

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS. Hồ hữu Hải. Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ô tô và xe chuyên
dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả trình bày
trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Học Viên

Trần Đức Thịnh

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................4
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN ÔTÔ VÀ XE MÁY
.....................................................................................................................................8
1.1 KHÁI QUÁT .........................................................................................................8
1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN PHA .............................................................................8
1.2.1 Bóng đèn sợi đốt ................................................................................................8
1.2.2 Bóng đèn Halogen. ...........................................................................................10
1.2.3 Bóng đèn Xenon ...............................................................................................11
1.2.4 Bóng đèn LED ..................................................................................................20
1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS) .......................................................24
1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh ......................................................................................24
1.3.2 Hệ thống đèn liếc động.....................................................................................25

1.4 Đèn pha trên xe máy ...........................................................................................35
1.5 Mục tiêu và nội dung đề tài luận văn ..................................................................40
1.5.1 Mục tiêu ...........................................................................................................40
1.5.2 Nội dung chính của đề tài.................................................................................40
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ......42
2.1 Các phương án thiết kế........................................................................................42
2.2 Mô hình hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy. ................................................42
2.2.1 Xây dựng mô hình ...........................................................................................42
2.2.2 Chế tạo mô hình ...............................................................................................48
2.3 Thiết kế bộ điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy. .........................................51
2.3.1 Yêu cầu làm việc của mạch điện điều khiển. ...................................................52
2.3.2 Sơ đồ mạch điện của xe....................................................................................52
2.3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của mạch điện điều khiển .....................................54
2.3.4 Xây dựng mạch mô phỏng trên máy tính .........................................................63
2.3.5 Thiết kế mạch in ...............................................................................................65

2


CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT
ĐỘNG HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC CHO XE MÁY .............................68
3.1 Thuật toán điều khiển. .........................................................................................68
3.2 Mô tả chương trình ..............................................................................................69
3.3 Mô phỏng hoạt động của hệ thống ......................................................................70
KÊT LUẬN CHUNG ..............................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................76
PHỤ LỤC 1 ..............................................................................................................77
PHỤ LỤC 2 ..............................................................................................................80

3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ

TT

Trang

1

Hình 1.1 Bóng đèn sợi đốt

8

2

Hình 1.2 Bóng đèn Halogen

10

3

Hình 1.3 Bộ đèn xenon và bộ tăng áp

11

4

Hình 1.4 Cấu tạo chóa đèn và bóng đèn D2S

13

5

Hình 1.5 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2R

14

6

Hình 1.6 Cấu tạo bóng đèn D1S UltraBlue

14

7

Hình 1.7 Cấu tạo bóng đèn D1R

15

8

Hình 1.8 Sự bố trí quang học của đèn pha projector

17

9

Hình 1.9 Vai trò của phản xạ cho sự phân bố chiếu ánh sáng

17

10

Hình 1.10 Nguyên tắc phản xạ

18

11

Hình 1.11 Tính chất trực chuẩn của thấu kính phi cầu và tính chất

18

trực chuẩn của thấu kính hình cầu.
12

Hình 1.12 Kết cấu thấu kính màu (hình phía trên) và

19

nguyên tắc sửa chữa (hình phía dưới).
13

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của đèn LED.

21

14

Hình 1.14a là hệ thống ánh sáng đèn LED phía trước trên chiếc xe

22

Fioravanti Yak.
15

Hình 1.14b là một mảng đèn LED loại 5mm cho hệ thống chiếu

22

sáng phía trước
16

Hình 1.15 Hiệu quả chiếu sáng đối với hệ thống đèn liếc tĩnh

24

17

Hình1.16 Đèn chiếu sáng góc cua tắt khi đi thẳng

25

18

Hình 1.17 Đèn chiếu sáng góc cua sẽ bật lên cùng với đèn xi nhan

25

19

Hình 1.18 Đèn chiếu sáng góc cua

25

20

Hình 1.19 Cả hai đèn chiếu sáng góc cua

25

21

Hình 1.20 Xoay đèn chiếu gần về hướng cua.

26

4


22

Hình 1.21 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng bằng gương

26

23

Hình 1.22 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng bằng cách di chuyển cả

26

chóa đèn phản xạ.
24

Hình 1.23 Sơ đồ hệ thống đèn pha tích cực (AFS)

27

25

Hình1.24 CL- Ánh sáng ngoại thị, ML- Ánh sáng đường cao tốc,

28

HB - Chùm tia chính, FFL - Sương mù nhẹ, AWL - Thời tiết không
tốt, TL - Ánh sáng nội thị, BL - Ánh sáng vào cua.
26

Hình 1.25 Loại C (cơ bản) hình chiếu bằng của chùm tia gần (phía

29

bên trái),Loại C (cơ bản) hình chiếu đứng của chùm tia gần
27

Hình 1.26 Hình chiếu bằng của loại V (nội thị) chùm tia gần

30

28

Hình 1.27 Hình chiếu bằng của lớp E (đường cao tốc) chùm tia xa

31

‘trái’; Hình chiếu đứng của loại E (đường cao tốc) chùm tia xa. Khu
vực ánh sáng màu vàng cho thấy chùm tia tăng 0,250 cho phạm vị
mở rộng.
29

Hình 1.28 Hình chiếu bằng của loại W (đường ướt) chùm tia gần.

31

30

Hình 1.29 Hình chiếu bằng cho loại T (nội thị) Chùm tia gần

32

31

Hình 1.30 Hình chiếu bằng của loại T (nội thị) chùm tia gần

32

32

Hình 1.31 Màn đo cho xe có chùm sáng chiếu gần đối xứng

34

33

Hình 1.32 Màn đo cho xe môtô có chùm sáng chiếu gần không đối
xứng

34

Hình 1.33. Một số loại xe có đèn pha lắp cố định với tay lái

36

35

Hình 1.34. Một số loại xe có đèn pha lắp cố định với khung xe

36

36

Hình 1.35. Hệ thống đèn pha tích hợp thấu kính trên một số xe máy

37

37

Hình 1.36. Đèn xenon kết hợp thấu kính tự chế trên xe SH

37

38

Hình 1.37. Mẫu xe motor K1600 GT / K 1600 GTL của BMW

38

với hệ thống đèn pha thông minh
39

Hình 1.38. Một số chế độ làm việc của đèn pha thông minh xe motor
K1600 GT

5

39


40

Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình

43

41

Hình 2.2. Cấu tạo chóa đèn và bóng đèn xe Airblade

44

42

Hình 2.3. Hệ thống quang học của đèn pha xe Airblade

45

43

Hình 2.4 Xác định vị trí lắp các bóng hỗ trợ góc quay vòng

46

44

Hình 2.5 Bóng đèn pha cốt xe Wave 110

47

45

Hình 2.6 Khung mô hình

48

46

Hình 2.7 Chóa đèn Airblade đã khoan vị trí lắp đèn hỗ trợ chiếu

49

sáng khi vào đường vòng
47

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện xe Honda Airblade

50

48

Hình 2.9 Sơ đồ mạch hệ thống chiếu sáng

54

49

Hình 2.10 Mạch bật đèn chiếu sáng phụ bằng tín hiệu xi nhan

56

50

Hình 2.11 Mạch tự động điều chỉnh cường độ sáng của đèn

58

51

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy

60

52

Hình 2.13 Sơ đồ mạch điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy

61

53

Hình 2.14 Sơ đồ các điểm đấu nối dây trên xe Airblade nguyên bản

62

54

Hình 2.15 Mạch mô phỏng tự động điều chỉnh cường độ sáng của

63

đèn bằng PWM
55

Hình 2.16 Sơ đồ mạch in bộ điều khiển đèn

66

56

Hình 2.17 Mạch in bộ điều khiển đèn

66

57

Hình 2.18 Mạch khoan chân linh kiện

67

58

Hình 3.1 Mô hình hệ thống đèn pha tích cực

70

59

Hình 3.2 Khi chưa bật công tắc đèn ở nấc pha/cốt

71

60

Hình 3.3 Đèn phụ trái sáng khi bật xi nhan phải

71

61

Hình 3.4 Đèn phụ phải sáng khi bật xi nhan trái

72

62

Hình 3.5 Khi cường độ ánh sáng phía trước xe thay đổi

73

6


LỜI NÓI ĐẦU
Đèn pha trên xe là một bộ phận rất quan trọng giúp cho lái xe có thể thuận
lợi khi tham gia giao thông vào ban đêm hoặc trong điều kiện sương mù. Tuy nhiên
khi vào những đoạn đường vòng phải thì nhiều xe bộc lộ hạn chế là góc chiếu sáng
không theo hướng rẽ của xe khiến người lái xe bị hạn chế tầm nhìn rất rễ gây ra tai
nạn. Khi hoạt động vào ban đêm, nếu gặp xe chạy ngược chiều (có ánh đèn pha
chiếu vào), cần thiết hướng chiếu sáng của đèn thấp xuống hoặc điều chỉnh hạn chế
độ sáng của đèn nhằm tránh gây chói mắt cho người điều khiển xe ngược chiều.
Hơn nữa khi xe chạy trên đường có hệ thống đèn chiếu sáng thì việc chiếu sáng hết
công suất của các bóng pha cốt là không cần thiết. Xét thấy xe máy chiếm tỷ lệ lớn
trong các phương tiện tham gia giao thông ở nước ta, trong số đó có nhiều xe sử
dụng đèn pha không thể quay theo hướng quay của tay lái. Việc nghiên cứu thiết kế
chế tạo thử nghiệm hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cho việc phát triển và hoàn thiện hệ thống chiếu sáng trên xe máy.
Luận văn tiến hành nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng
trên mô hình và thực hiện các công việc:

- Nghiên cứu tổng quan về đèn pha ô tô, xe máy.
- Xây dựng mô hình hệ thống và bộ điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy.
- Xây dựng chương trình điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy.
- Mô phỏng, đánh giá hệ thống đèn pha tích cực của xe máy.
Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ
động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới.
Dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS. TS. Hồ Hữu Hải và các thầy trong Bộ môn ô
tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,
đề tài đã hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra. Tuy nhiên vì điều kiện có
hạn, lại nghiên cứu đa ngành nên bản luận văn không thể tránh khỏi những sai
sót. Rất mong các Thầy đóng góp ý kiến để bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013
Tác giả

7


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN ÔTÔ VÀ XE MÁY
1.1 KHÁI QUÁT
- Đèn pha xe máy được lắp phía trước xe, mục đích chiếu sáng con đường phía
trước trong suốt thời gian xe chạy mà tầm nhìn của người lái xe bị giới hạn bởi
không gian như, trời tối, trời mưa... Nếu đèn pha mà không đáp ứng được tầm nhìn
của người lái xe thì tai nạn giao thông có thể xẩy ra bất kỳ lúc nào. Nhưng nếu đèn
pha ôtô quá sáng sẽ làm chói mắt phương tiện hoặc người đi ngược chiều điều này
cũng gây nên tai nạn giao thông.
- Mọi người đều thấy được tầm quan trọng của chiếu sáng trên xe máy khi di
chuyển trong bóng tối. Đèn pha đã trải qua 120 năm lịch sử, từ những chiếc đèn
khổng lồ cổ lỗ cho tới Bi-Xenon hay LED ngày nay.
- Theo thông tin từ một tờ báo của công ty ôtô NISSAN đưa tin, khoảng 70% của xe
tai nạn trên đường bộ xảy ra vào ban đêm cho người đi bộ do ảnh hưởng tầm nhìn

của người lái xe do đèn pha không đáp ứng được tầm nhìn.
1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN PHA
1.2.1 Bóng đèn sợi đốt

Hình 1.1 Bóng đèn sợi đốt
Với sự phát triển của bóng đèn sợi đốt và sự ra đời các loại máy phát điện
gọn nhẹ được lắp đặt trên xe ôtô thì vào năm 1910 các loại bóng đèn sợi đốt được
sử dụng để chiếu sáng trên xe ôtô.
Năm 1913, công ty điện Bosch, Đức, đã tiếp cận hợp lý đối với vấn đề này

8


và đưa ra sản phẩm „Bosch Light‟. Đây là hệ thống tích hợp đèn pha, máy phát điện
một chiều và bộ điều chỉnh để tránh gây phiền phức cho khách hàng nếu mua các
phầntử rời rạc. Tuy nhiên, vẫn xuất hiện những tranh cãi xung quanh đèn pha sử
dụng điện hiện đại và các đèn pha thế hệ cũ sử dụng gas. Một giải pháp mới là
kết hợp đèn pha chạy bằng nhiên liệu với đèn pha điện. Các loại đèn pha này
cùng tồn tại cho đến sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Năm 1920, điện chiếm
ưu thế không chỉ trong đèn pha mà còn trong cả công nghệ chế tạo xe hơi.
Cấu tạo bóng đèn dây tóc gồm vỏ bóng đèn làm bằng thủy tinh, bên trong có
chứa dây điện trở volfram. Dây volfram khi được đặt vào một mức điện áp nhất
định và được nung nóng lên đến nhiệt độ 23000C sẽ sinh ra luồng ánh sáng trắng. Ở
nhiệt độ thấp hơn ánh sáng sinh ra sẽ yếu hơn, và ngược lại nhưng nếu cung cấp
điện áp đặt vào hai đầu dây volfram lớn quá mức, nhiệt độ điện trở volfram quá
lớn làm cho dây volfram bốc hơi nhanh gây nên hiện tượng đen bóng đèn và đốt
cháy dây tóc làm dây tóc bị đứt. Trong bóng đèn người ta hút hết không khí ra để ở
môi trường chân không hạn chế hiện tượng oxy hóa dây điện trở volfram làm dây
volfram dễ đốt cháy.
Để dây tóc bóng đén có thể phát sáng ở nhiệt độ cao, có thể đặt vào bóng

đèn một điện áp cao hơn, người ta bơm vào bóng đèn khí Argon với áp suất thấp.
Với cách này cường độ chiếu sáng của bóng đèn sẽ tăng thêm được khoảng 40%.
Đèn pha ôtô sử dụng loại sợi đốt do có tuổi thọ thấp, cường độ ánh sáng thấp hơn
so với các loại đèn khác cùng công suất, tiêu tốn nhiều điện năng nên bây giờ trên
các xe máy đời mới người ta ít sử dụng.
- Đèn chiếu gần (low - beam) ra đời cũng trong thời kỳ này:
Lái xe trong đêm vẫn bị ảnh hưởng bởi vấn đề rất cũ là gây chói mắt của
những chiếc xe đi ngược chiều. Các kỹ sư đã cố gắng rất nhiều năm giải quyết vấn
đề này bằng cách sử dụng thiết bị chống lóa mắt và tìm ra phương pháp lắp đặt
đèn pha. Hai đèn chiếu riêng biệt với hai chùm ánh sáng mang lại hiệu quả cao hơn,
đó đèn chiếu xa và chiếu gần.
- Bóng đèn bilux – giải pháp tất cả trong một:

9


Năm 1924, chuyên gia về đèn Osram đưa ra giải pháp kỹ thuật mới nhằm
giảm chói mắt cho xe đi ngược chiều là dùng bóng đèn có hai sợi đốt, kết hợp
cả chùm tia chiếu gần và xa trên cùng một gương phản xạ. Thay vì phải dùng 2
nguồn sáng với hai chóa đèn riêng biệt cho 2 chế độ chiếu xa và chiếu gần.
- Đèn chiếu gần không đối xứng - sáng hơn về phía bên phải:
Năm 1957, đèn chiếu gần không đối xứng xuất hiện. Loại đèn này có
cường độ sáng cao hơn phía bên tay phải, nơi hay có người đi bộ và xe đạp mà lái
xe thường rất khó phát hiện trong đêm. Và được chính quyền đức chính thức
công nhận việc sử dụng đèn chiếu gần không đối xứng trên ô tô.
1.2.2 Bóng đèn Halogen.
Được sử dụng phổ biến trên ô tô vào thời kỳ (1960- 1990)

Hình 1.2 Bóng đèn Halogen
Ngành công nghiệp ô tô chứng kiến sự xâm nhập và chiếm ưu thế của đèn sử

dụng khí Halogen (gồm các khí Flo, Clo). Một trong ưu điểm lớn nhất của công
nghệ này là hiệu quả chiếu sáng và tuổi thọ làm việc cao. Trong khi đó, đối với
các đèn sợi đốt thông thường, kim loại bốc hơi từ các sợi đốt tập trung trên bề
mặt làm xám đen. Khí Halogen có tác dụng làm hạn chế sự bốc hơi của kim loại
từ sợi đốt làm cho bóng đèn trở nên sáng. Ngoài ra nó cũng giúp đốt nóng sợi đốt
một cách mạnh mẽ và cho nguồn ánh sáng tốt hơn.
Công nghệ đèn pha Halogen đã làm cho sợi đốt Vonfram sản xuất ra ánh
sáng hiệu quả hơn đèn sợi đốt bình thường, các bóng đèn Halogen đầu tiên được sử
dụng trên xe ôtô là H1, đã được giới thiệu vào năm 1962 bởi một tập đoàn bóng đèn
của Châu Âu và các nhà sản xuất đèn pha. Bóng đèn này có một sợi đốt tiêu thụ

10


điện năng H1 (55 watt - 12 volt tạo ra 1550 lumen (lm)). H2 (55 watt - 12 vôn tạo ra
1820 lumen), H3 (55 watt - 12 vôn tạo ra 1450 lumen).
Đèn pha ôtô sử dụng loại bóng đèn Halogen, hầu hết trên các đèn pha ôtô
hiện nay đang được sử dụng đèn Halogen vì nó có một số ưu điểm, tuổi thọ của
bóng đèn Halogen cao hơn bóng đèn sợi đốt, một bóng đèn Halogen vào khoảng
1.000 giờ chiếu sáng, giá thành thấp, có kích thước khác nhau, hiệu suất chiếu sáng
cao. Tuy nhiên đèn halogen cũng có một số nhược điểm, lãng phí năng lượng do
phải dùng điện năng để đốt nóng sợi dây tóc lên đến khoảng 2.5000C và khi
bóng đèn hỏng gây ô nhiễm cho môi trường vì trong bóng đèn có chứa chất khí
halogen.
1.2.3 Bóng đèn Xenon

Hình 1.3 Bộ đèn xenon và bộ tăng áp
Năm 1991 đèn pha Xenon ra đời. Nguồn sáng của đèn này gồm khí Xenon
và một lượng nhỏ muối kim loại. Bằng cách sử dụng bộ tăng áp (Ballast) tạo
ra những sung ngắn với điện áp lên đến 28.000 volt, đèn Xenon được sử dụng từ

năm 1995 và bắt đầu thay thế các bong đèn sợi đốt. HID là viết tắt của cụm từ xả
khí cường độ cao, đó là một thuật ngữ đề cập đến hồ quang điện tạo ra ánh sáng.
Các đèn thường được biết như là đèn xả khí, và tạo ra nhiều ánh sáng hơn trong
cùng một mức tiêu thụ năng lương so với bóng đèn Vonfram bình thường và
Vonfram - Halogen. Bởi vì, tăng lượng ánh sáng có trong bóng HID so với bóng

11


đèn Halogen thì đèn HID sản sinh ra một hình chùm nhỏ rọt hơn đèn Halogen, và
đèn pha Xenon sản sinh ra một chùm tia mạnh mẽ hơn.
Trên ôtô đèn HID thường được gọi „đèn pha Xenon‟, mặc dù chúng có
chứa chất Halogen, và chất khí Xenon. Ánh sáng từ đèn pha Xenon lộ ra một màu
xanh nhạt khác biệt khi so sánh với đèn dây tóc Volfram. Bóng đèn HID không
chạy trên dòng điện một chiều điện áp thấp, vì vậy bóng đèn HID cần có một bộ
chấn lưu đánh lửa nằm ở bên ngoài. Ignitor được tích hợp vào các bóng đèn D1 và
hệ thống D3, hoặc là một phần của chấn lưu trong hệ thống D2 và D4. Chấn lưu
điều khiển dòng điện đến bóng đèn, sự đánh lửa và quá trình hoạt động của chấn
lưu trong ba giai đọan.
- Đánh lửa: một xung điện áp cao được sử dụng để sản sinh ra một tia lửa điện, để
ion hóa khí xenon, tạo ra đường dẫn xuyên qua hai cực Vonfram. Làm giảm điện trở
giữa khe hở, và làm dòng điện chạy giữa hai cực.
- Giai đoạn ban đầu: bóng đèn được kiểm soát bằng tình trạng quá tải. Bởi vì hồ
quang hoạt động ở công suất cao, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, các kim loại muối
bay hơi, hồ quang được tăng cường, và làm cho quang phổ đầy đủ hơn, điện trở
giữa hai cực cũng giảm xuống, chấn lưu điện tử kiểm soát vòng lặp và tự động
chuyển sang hoạt động liên tục.
- Hoạt động liên tục: tất cả các kim loại muối trong giai đoạn hơi, hồ quang đã hình
thành ổn định, và hiệu quả phát sáng đã đạt đến giá trị của nó, bây giờ chấn lưu
cung cấp nguồn điện ổn định vì vậy hồ quang sẽ không nhấp nháy. Điện áp hoạt

động ổn định là 85 volt AC cho D1 và hệ thống D2, 42 volt AC cho hệ thống D3 và
D4. Tần số của dòng điện xoay chiều dạng sóng vuông thường 400Hz hoặc cao hơn.
- Bóng đèn HID sản xuất ra 2800 và 3500 lumen chỉ tiêu tốn 35 và 38 watt điện,
trong khi bóng đèn Halogen sản xuất ra 700 và 2100 lumen lại tiêu tốn điện nhiều
hơn vào khoảng 40 và 72 watt ở 12,8 vôn.
- Các bóng đèn HID có ghi các ký hiệu D1S, D1R, D2S, D2R,D3S, D3R, D4S, và
D4R. Trong đó; Chữ D trong các ký hiệu là (discharge – sự phóng điện), chữ S là
(shield – tấm chắn), và chữ R là (reflector - gương phản xạ). Các hồ quang trong

12


bóng đèn HID tạo ra đáng kể sóng ánh sáng cực tím, nhưng không có một tia cực
tím nào thoát ra khỏi bóng đèn, một lá chắn hấp thụ tia cực tím bao quanh ống hồ
quang của bóng đèn. Điều này rất quan trọng để ngăn chặn sự suy thoái của các
thành phần nhạy cảm với tia cực tím và vật liệu trong đèn pha, chữ „S‟trong bóng
D1S, D2S, D3S, và D4S có một tấm chắn bằng thủy tinh đơn giản, và chủ yếu được
sử dụng trong máy chiếu quang học. Chữ „R‟ trong bóng D1R, D2R, D3R, và
D4R được thiết kế để sử dụng trong quang học kiểu đèn pha phản xạ. Chúng có
một mặt nạ mờ đục bao gồm các phần cụ thể của lá chắn, các mép tạo điều kiện
cho việc tạo ra quang học của ranh giới ánh sáng/tối gần đầu của chùm ánh sáng
thấp, bóng đèn HID dùng trên ôtô làm phát ra ánh sáng tia cực tím đáng kể mặc dù
có lá chắn.
- D2S: là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa và có thấu kính giúp
gom ánh sáng để không làm chói xe lưu thông ngược chiều.

D2S

Chóa đèn

Projecttion headlight

Thấu kính

Tấm chắn

Hình 1.4 Cấu tạo chóa đèn và bóng đèn D2S
- D2R. Là loại bóng có sẵn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có mặt phản xạ.
Có một lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe đi ngược chiều.

13


Tấm chắn

Chóa đèn
Kính khuyếch tán

Hình 1.5 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2R
- 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)

Hình 1.6 Cấu tạo bóng đèn D1S UltraBlue
- D1R là loại bóng có sẵn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có mặt phản xạ.
Có một lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe đi ngược chiều
(được tích hợp bộ khởi động).

14

Hình 1.7 Cấu tạo bóng đèn D1R
Đối với từng loại bóng đèn thì bộ Ballast sẽ được thiết kế riêng cho phù hợp
với từng loại chân đế.
- Nhiệt độ màu của bóng đèn HID từ 4100k đến 4400k, thường được giới thiệu
trong các tài liệu là 5800k gần với ánh sáng mặt trời so với bóng đèn Volfram Halogen là 3000k đến 3550k. Tuy nhiên ánh sáng của đèn HID phát ra không giống
áng sáng ban ngày. Sự phân bố năng lượng quang phổ của bóng đèn HID không
liên tục, trong khi sự phân phối điện quang phổ của bóng đèn dây tóc lại giống như
ánh sáng mặt trời, là một đường cong liên tục. Hơn nữa, các chỉ số về màu của đèn
pha Volfram - Halogen lớn hơn hoặc bằng 0,98 là gần hơn nhiều so với đèn HID
vào khoảng 0,75 mà ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn hóa là 1,00. Các nghiên cứu cho
thấy không có tác dụng an toàn quan trọng của trị số màu trong đèn pha.
- Các đèn pha HID cung cấp nguồn sáng lớn hơn đáng kể, và lượng ánh sáng nhiều
hơn so với bóng đèn Halogen vào khoảng 3000 lumen và 90 mcd/m2 so với
1400 lumen và 30 mcd/m2. Nếu nguồn ánh sáng của bóng đèn HID được sử dụng
trong đèn pha quang học, thì ánh sáng được sử dụng nhiều hơn. Do đó, đèn pha
HID đóng góp vào việc lái xe an toàn. Nhưng do ánh sáng của đèn HID quá cao
cũng làm tăng nguy cơ gây tai nạn cho xe đi ngược chiều.
- Bóng đèn HID cung cấp hiệu quả cao hơn (tạo ra nhiều ánh sáng hơn và tiêu tốn ít
năng lượng hơn) so với bóng đèn halogen. Cường độ cao nhất của bóng đèn

15


halogen là H9 và HIR1 mà chỉ sản sinh ra 2100 đến 2530 lumen và tiêu tốn hết 70
watt điện ở 12 volt, một bóng HID loại D2S sản sinh ra 3200 lumen trong quá trình
hoạt động tiêu tốn mất 42 watt điện giảm tiêu thụ điện năng nghĩa là tiêu thụ ít
nhiên liệu.
- Đèn pha projector: nó được biết từ đầu thế kỷ XIX và lần đầu tiên được sử
dụng trong máy chiếu phim. Lần đầu tiên được trang bị trên xe ôtô là vào cuối năm
1960, là đèn tín hiệu, đến năm 1980 lần đầu tiên được áp dụng cho đèn pha ôtô,

Hella và Cibie phát triển đèn pha projector chùm tia gần như trong cùng một thời
gian, và chiếc xe đầu tiên được trang bị là chiếc xe của hãng BMW. Với sự giới
thiệu của bóng đèn Xenon bắt đầu vào năm 1990, đèn projector trở thành hệ thống
quang học chủ yếu được sử dụng cho đèn pha Xenon ở Châu Âu. Kể từ đó đèn pha
projector đã kết hợp với nhiều chức năng.
- Đèn pha projector phát ra 2 luồng ánh sáng gần và xa bằng cách điều chỉnh thấu
kính.
- Đường cong ánh sáng năng động với cả Halogen hoặc Xenon.
- Kiểu mới với sự phân phối ánh sáng khác nhau chẳng hạn như trên đường cao tốc
có ánh sáng khác với thời tiết xấu.
- Đèn pha projector gồm có 4 phần chính: nguồn ánh sáng, gương phản xạ gần hình
elip, một lá chắn, và một thấu kính hội tụ.
Gương phản xạ là hình elip trong khung và vì thế hiển thị 2 tiêu điểm. Nguồn ánh
sáng đặt trong vùng lân cận của điểm tiêu cự gương phản xạ. Nguồn Ánh sáng hội
tụ bởi gương phản xạ và một lần nữa tập trung gần tiêu điểm gương phản xạ thứ 2
nơi được đặt tấm chắn. Chùm ánh sáng rọi vào mặt phẳng của lá chắn một phần
dưới của chùm tia bị chặn lại bởi lá chắn, trong khi phần trên hướng vào thấu kính.
Mặt phẳng tiêu cự của thấu kính nằm trong mặt phẳng của lá chắn. Hình ảnh của lá
chắn trong lúc ấy chiếu xuống đường tạo ra ranh giới sáng tối rõ dệt trong tức thời,
hình ảnh đó giống như hình học của lá chắn, hình ảnh lá chắn thì đảo ngược (đảo
lộn, trái sang phải), đó là lý do tại sao ánh sáng từ nửa trên của tấm chắn soi sáng
con đường trong khi ánh sáng hấp thụ bởi tấm chắn không làm chói mắt xe đi

16


ngược chiều. bằng cách di chuyển lá chắn ra khỏi đường đi của chùm tia sáng, toàn
bộ chùm ánh sáng đến thấu kính và áng sáng từ nửa mặt phẳng thấp chiếu sáng
không gian trên đường cắt. Bằng cách này một chùm tia chính có thể được tạo ra.
Chóa đèn

Thấu kính
Tối

Bóng đèn

Sáng

Van điện từ

Tấm chắn

Hình 1.8 Sự bố trí quang học của đèn pha projector
- Gương phản xạ xác định cường độ và phân phối đầu ra của chùm tia. Đối với một
điểm nguồn sáng tại tiêu điểm phân phối chiếu sáng trên mặt phẳng tiêu điểm thấu
kính chiếu xuống đường sao cho điểm trên mặt phẳng tiêu cự đối xứng nhau, đây là
lý do tại sao cường độ của ánh sáng từ thấu kính theo hướng phụ thuộc vào sự chiếu
sáng của điểm tương ứng trong mặt phẳng tiêu cự.

Hình 1.9 Vai trò của phản xạ cho sự phân bố chiếu ánh sáng

17


Hình 1.10 Nguyên tắc phản xạ
Để có thể phân bố ánh sáng đúng, gương phản xạ thường không thể là một
elip đơn giản. Các nhà thiết kế quang học cần gương phản xạ từ sự phân bố ánh
sáng lên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính. Các nhà toán học ứng dụng hoặc các bề
mặt tự do có thể sử dụng. Ví dụ gương phản xạ có thể là bề mặt vỏ từ tập hợp riêng
biệt bề mặt elip, với sự tập trung đầu tiên trong nguồn ánh sáng và sự tập trung thứ

2 di chuyển dọc theo mặt phẳng tiêu cự của thấu kính.
- Chùm ánh sáng mạnh mẽ phân chia sau khi đi qua lá chắn với góc của hình nón
ánh sáng vào khoảng 45 độ. Cường độ ánh sáng thì không đủ cho một đèn pha.
Thấu kính được sử dụng để thu hẹp các chùm tia đặc biệt là hướng theo chiều dọc
để mở theo hướng thẳng đứng của chùm tia gần khoảng 10-15 độ.

Hình 1.11 Tính chất trực chuẩn của thấu kính phi cầu (hình phía trên), tính chất
trực chuẩn của thấu kính hình cầu (hình phía dưới).

18


So với hình ảnh quang học, thấu kính hội tụ dùng cho đèn pha xe ôtô có
một góc mở rất lớn, thường khoảng 40 độ. Một thấu kính hình cầu bằng như vậy
một góc mở sẽ từ độ mở sai lệch quá mức (xem hình 1.11). Cũng là một thấu kính
hình cầu sẽ không cung cấp đầy đủ kiểm soát của ánh sáng chói, một giải pháp thực
tế là một thấu kính để mà sửa chữa cái sai đó, bản thân thấu kính có thể là bề mặt
của sự biến đổi. Một thấu kính như vậy tạo ra một vết hình ảnh thật của mép lá chắn
ở trung tâm của chùm tia và một tiêu điểm cái mà uốn cong. Vì lý do này lá chắn
hình cong thì được dùng trong một số đèn pha (projector). Điều này cũng đặc biệt là
nếu chùm tia là rất rộng và thấu kính góc mở lớn. Hầu hết các đèn pha (projector)
cho chùm tia gần có thể được thiết kế bằng lá chắn phẳng.
Thấu kính thường phẳng - lồi bề mặt phẳng định hướng lá chắn. Thiết lập
này cho hiệu quả ánh sáng, cũng như thất thoát ánh sáng gây ra bởi sự phản xạ trên
2 bề mặt thấu kính là mức tối thiểu.
Sử dụng một thấu kính với những đặc tính hình ảnh rất tốt giúp kiểm soát
ánh sáng chói và tạo ra quá trình chuyển đổi ánh sáng - tối rất sắc nét. Trong thực
tế, trong trường hợp này các đường cắt có thể là quá sắc nét, nó đem lại cho người
lái xe hình ảnh rễ chịu. Cấu tạo khuyếch tán trên bề mặt thấu kính hoặc một sóng
ánh sáng lan truyền giao động có thể làm giảm độ sắc nét của vết cắt. Tình trạng

kỹ thuật hiện nay là một thấu kính với sự cân bằng giữa giá trị ánh sáng chói và
người lái xe thoải mái.
Fr

Fb

Fr2

Fb2

Fr1

Fb1

Hình 1.12 Kết cấu thấu kính màu (hình phía trên) và
nguyên tắc sửa chữa (hình phía dưới).

19


Do kính phân tán vị trí của điểm tiêu cự cho áng sáng màu xanh gần thấu
kính hơn so với ánh sáng màu đỏ. Chỉ số khúc xạ của thủy tinh thay đổi theo
bước sóng để chỉ số khúc xạ ánh sáng màu xanh thường cao hơn so với ánh sáng
đỏ (xem hình1.15). Hiệu ứng này được gọi tán sắc ánh sáng và có thể đo được bằng
khoảng cách giữa mặt phẳng tiêu cự màu đỏ và màu xanh. Nó có thể gây ra một
đường viền màu đáng chú ý tại đường cắt của chùm tia, đặc biệt là khi đường cắt thì
sắc nét. Sự phân ly của ánh sáng dọc theo đường cắt có thể bị chặn khi các điểm
tiêu cự của phần trên và phần dưới được bố trí theo hình1.12 ở phía dưới.
1.2.4 Bóng đèn LED
- LED được viết tắt từ cụm từ trong tiếng anh (light emitting diode), LED bao gồm

một chíp của vật liệu bán dẫn pha tạp với tạp chất khác để tạo ra một tiếp giáp P-N,
giống như điốt khác. Dòng điện chạy từ P(positive) đến N(negative), nhưng không
theo chiều ngược lại. Điện áp này gọi là điện áp phân cực thuận. Nó tạo ra điện
trường ngoài hướng từ P sang N. Tức là ngược chiều điện trường chuyển tiếp và
triệt tiêu điện trường chuyển tiếp làm cho các phần tử dẫn điện đa số là lỗ trống di
chuyển từ P sang N còn điện tử di chuyển từ N sang P.
Bước sóng của ánh sáng phát ra, do đó màu sắc của nó phụ thuộc vào năng lượng
khoảng cách của các thành phần hình thành các đường giao nhau P-N. Các electron
và lỗ trống kết hợp lại bằng một quá trình chuyển đổi không phóng xạ, trong khi sản
xuất không có khí thải quang học, bởi vì đây là vật liệu khoảng cách gián tiếp. Các
vật liệu được sử dụng cho LED có một khoảng cách trực tiếp với năng lượng tương
ứng với ánh sáng cận hồng ngoại, có thể nhìn thấy hoặc gần như tia cực tím.

20


Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của đèn LED.
- Năm 1990 một công nghệ hoàn toàn mới xuất hiện ở phía sau của chiếc xe, đó là
điốt phát sáng dùng cho các đèn phanh, trong một vài năm đèn LED đỏ được sử
dụng cho đèn tín hiệu. Trong khi đèn LED có các màu khác tồn tại, màu đỏ dường
như nhanh hơn và cao hơn.
- Với việc sử dụng các điốt phát ra ánh sáng trắng (LED) để chiếu sáng phía trước
của ôtô, đó là do độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, và đèn
LED sinh ra nhiệt thấp hơn là một sự lựa chọn tự nhiên cho hệ thống chiếu sáng ôtô.
Hiện nay, đèn LED đang được áp dụng cho hầu hết các đèn tín hiệu. Hệ thống đèn
LED chiếu sáng phía trước ôtô là sự phát triển tự nhiên trong nguồn ánh sáng và
thiết kế quang học tiến bộ, Sự phát triển của công nghệ LED ánh sáng màu trắng
với cường độ sáng tăng lên cho mỗi thiết bị, đã dẫn đến nguồn chiếu sáng phía
trước ôtô, và cũng được ứng dụng cho chức năng của hệ thống AFS. Hệ thống đèn
LED cung cấp cho con người, chẳng hạn như tăng hiệu suất thị giác ngoại vi, giảm

ánh sáng chói, và tăng khả năng cho sự lựa chọn của con người.
- Hình1.14a và 1.14b cho thấy hai mẫu xe với hệ thống đèn LED chiếu sáng phía
trước. Hình 1.14a cho thấy dòng ánh sáng cao hệ thống chiếu sáng LED dựa trên ý
tưởng của chiếc xe Fioravanti Yak được giới thiệu tại triển lãm Geneva Motor. Hệ
thống này dựa trên mỗi cái pha phản chiếu quang học cho mỗi cái đèn LED và
được ứng dụng cho đèn sương mù và đèn pha tích hợp với các chùm tia chiếu xa và

21


các chùm tia chiếu gần. (Hình 1.14b) cho thấy một hệ thống đèn LED chiếu sáng
phía trước dựa trên ý tưởng của chiếc xe Mitsubishi SSU (super sports utility).

Hình 1.14a

Hình 1.14b

- Hình 1.14a là hệ thống ánh sáng đèn LED phía trước trên chiếc xe Fioravanti Yak.
- Hình 1.14b là một mảng đèn LED loại 5mm cho hệ thống chiếu sáng phía trước
chiếc xe Mitsubishi.
Với đèn LED phát ra ánh sáng màu trắng có kích thước là 5mm phát ra nguồn ánh
sáng vào khoảng 1 lumen trong thực tế đèn Halogen chỉ phát ra ánh sáng vào
khoảng 400 lumen ở trên đường, do đó đèn LED phải cần đến 700 cái điều này thi
không thể thực hiện.
Với đèn LED phát ra nguồn ánh sáng trắng cao có hình dạng nhỏ gọn và sản xuất
chùm tia với một góc bằng một nửa bề rộng của 1000 đến 1600. Các đèn LED này
phát ra nguồn ánh sáng vào khoảng 20 lumen đến 40 lumen. Do đó, để sản xuất ra
1000 lumen thì phải cần từ 25 đến 50 cái đèn LED nhưng trên thực tế chỉ cần 400
lumen để chiếu sáng con đường phía trước của chiếc xe do đó chỉ cần từ 18 đến 35
cái đèn LED. Mặc dù số đèn LED có giảm, nhưng do sản lượng ánh sáng ngày càng

tăng cho mỗi thiết bị do vậy điều này vẫn chưa thực hiện được.
Với đèn LED phát ra nguồn ánh sáng cực cao trong cùng một hình dạng với các
đèn LED khác. Tuy nhiên các đèn LED này sản sinh ra 120 lumen, do đó để sản
sinh ra 1000 lumen thì phải cần 8 cái đèn LED và để sản sinh ra 400 lumen thì phải
cần 6 cái đèn LED. Giải pháp này có khả thi về quan điểm ánh sáng và tiêu thụ
năng lượng.

22


Loại đèn LED
5mm
Dòng ánh sáng cao
Dòng ánh sáng rất cao

Đầu ra ban

Số để sản xuất

Số để sản xuất ra

đầu (lm)

ra 1000 lm

400 lm ở trên đƣờng

1

1000

700

20 - 40

25 -50

18 - 35

120

8

6

Bảng tóm tắt của đèn LED phát ra ánh sáng trắng, cường độ và số lượng
đèn LED cần thiết để sản xuất ra nguồn sáng cho hệ thống.
Đối với các đèn LED phát ra nguồn ánh sáng cao và rất cao và hoạt động ở 350mA
và 700mA, tuổi thọ của đèn LED vào khoảng 10000 giờ.
Nếu chỉ cần 6 đèn LED để sản xuất ra 400 lumen để chiếu sáng ở trên đường chỉ cần có
kích thước vào khoảng 0,00075m2, đây là một không gian khá nhỏ có thể chấp nhận được.
Bảng tóm tắt để sản xuất ra 400 lumen ở trên đường
Loại đèn LED

Mảnh khu vực để sản xuất ra 400 lm chiếu xuống
đƣờng (m2)

5 mm

0,042

Dòng ánh sáng cao

0,012

Dòng ánh sáng rất cao

0,0008

Đối với loại đèn LED dòng ánh sáng cao sử dụng dòng điện 350mA tiêu tốn
1w cho mỗi bóng đèn. Đối với mảnh có 25 đến 50 cái đèn LED và chỉ tiêu tốn
25W đến 50W. Đối với mảnh có 18 đến 35 cái đèn LED thì tiêu tốn hết 18w đến
35W. Đối với loại đèn LED dòng ánh sáng cao sử dụng 700mA và tiêu tốn 5w cho
mỗi bóng đèn, tương tự nếu sử dụng 8 đèn LED thì hết 40W, và 6 đèn LED cho
hệ thống thì hết có 30W.

23


Bảng tóm tắt hệ thống chiếu sáng phía trước của chiếc xe và mức tiêu thụ điện năng
Nguồn sáng

công xuất cho công xuất để sản
mỗi đèn (W) xuất ra 1000lm (W)

công xuất để sản
xuất ra 400 lm chiếu

0,068

68

sáng ở trên đƣờng (W)
48

Dòng ánh sáng cao

1

25 - 50

18 - 35

Dòng ánh sáng rất cao

5

40

30

Halogen

55

55

55

HID

35

35

35

5 mm

1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS)
Mục đích chính của sự sáng tạo hệ thống đèn pha là để tăng an toàn giao
thông, đặc biệt là vào ban đêm. Để đạt được điều này trong tương lai, sự phân bố
ánh sáng tối ưu tùy thuộc vào việc lái xe và điều kiện môi trường để chiếu sáng con
đường phía trước. Như điều kiện độ sáng, thời tiết, điều kiện đường, tình hình
giao thông, loại đường, tốc độ xe và trạng thái tăng tốc tất cả sẽ đưa vào phép
tính của AFS (hệ thống đèn pha tích cực - advanced front lighting system). Có hai
loại AFS, đó là hệ thống đèn pha tích cực liếc tĩnh và hệ thống đèn pha liếc động.
1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh

Hình 1.15 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 chiếu gần không chiếu tới, như hình vẽ bên trên, vùng sáng
là vùng sáng phụ của đèn chiếu sáng góc cua được bố trí bên cạnh đèn cốt. Được

24


kích hoạt dựa vào ba yếu tố đó là góc đánh tay lái, tình trạng của đèn tín hiệu, tốc
độ xe chạy.

Hình1.16 Đèn chiếu sáng

Hình 1.17 Đèn chiếu sáng góc cua

Góc cua tắt khi đi thẳng

Hình 1.18 Đèn chiếu sáng góc cua

sẽ bật lên cùng với đèn xi nhan

Hình 1.19 Cả hai đèn chiếu sáng góc cua

1.3.2 Hệ thống đèn liếc động
Khác với hệ thống đèn liếc tĩnh, hệ thống đèn liếc động, để thay đổi vùng sáng
người ta chỉ dùng một nguồn sáng, đèn liếc động có 2 loại, loại thay đổi vùng sáng
bằng cách thay đổi vị trí gương phản xạ, và loại thay đổi vùng sáng bằng cách di
chuyển cả chóa đèn, trên chóa đèn có gắn bóng đèn chiếu gần.

25