Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển đèn pha tích cực

..

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lâp – 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 hồn tồn trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào.
Học Viên

Lê Ngọc Viện

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................1
MỤC LỤC..............................................................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN XE ÔTÔ..............5
1.1 KHÁI QUÁT.................................................................................................... 5
1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN ĐIỆN ĐÃ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN Ơ TƠ........... 7
1.2.1 Bóng đèn sợi đốt............................................................................................7
1.2.2 Bóng đèn Halogen được sử dụng phổ biến trên ô tô vào thời kỳ (1960 –
1990)...............................................................................................................9
1.2.3 Bóng đèn Xenon .......................................................................................... 10
1.2.4 Bóng đèn LED............................................................................................. 18
1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS).................................................. 21

1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh ................................................................................. 22
1.3.2 Hệ thống đèn liếc động ............................................................................... 23
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN
PHA TÍCH CỰC (AFS) .....................................................................................34
2.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC ......................................................................................... 34
2.1.1 Phân loại động cơ bước .............................................................................. 34
2.1.1.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.......................................................... 35
2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước ......................................... 36
2.1.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước ............................................................. 37
2.1.4 Điều khiển động cơ bước ............................................................................ 38
2.1.5 Pha, cực và góc bước ................................................................................. 38.
2.1.6 Cơng suất, đặc tính điện từ và mô-men ..................................................... 39
2.1.7 Các chế độ điều khiển bước .......................................................................... 39
2.2 HIỆU ỨNG HALL ........................................................................................ 41
2.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ...................................................................... 43
2.3.1 Yêu cầu làm việc của mạch điện điều khiển .............................................. 43

2


2.3.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của mạch điện .................................................... 44
2.3.3 Xây dựng mạch mơ phỏng trên máy tính .................................................. 48
2.3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển................................................................. 49
2.3.5. Viết chương trình điều khiển .................................................................... 51
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS).......... 58
3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ................................................................................ 58
3.2 CHẾ TẠO MƠ HÌNH.................................................................................... 62
3.3 MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .......................................... 68
3.4 NHẬN XÉT.................................................................................................... 75
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 78

3


LỜI NĨI ĐẦU
Hệ thống đèn pha tích cực đã và đang giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo
an tồn chuyển động của ơ tơ vào ban đêm. Ơ tơ ngày nay có mật độ chuyển động
trung bình trên đường cao hơn nhiều so với trước đây, do có hệ thống chiếu sáng
tốt cho người lái xe có được tầm nhìn thoải mái hơn. Vì vậy trên các xe ô tô hạng
sang được trang bị hệ thống đèn pha tích cực nhằm cải thiện tầm nhìn cho người lái
xe khi xe chạy vào ban đêm hoặc thời tiết sấu.
Hệ thống đèn pha tích cực hiện nay đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều hãng ô tô
trên thế giới. Nhờ sự tác động của hệ thống điều khiển điện tử mà hệ thống đèn pha
tích cực ngày càng phát triển hơn, đáp ứng nhanh hơn và chùm tia chiếu sáng năng
động hơn với các chế độ làm việc của chùm tia chiếu sáng.
Luận vân tiến hành nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng trên
mơ hình và thực hiện các chế độ:
- Nghiên cứu tổng quan về đèn pha;
- Xây dựng thuật toán điều khiển đèn pha tích cực;
- Mơ phỏng đánh giá hệ thống đèn pha tích cực;
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 27 tháng 03 năm 2012

Tác giả

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN XE ƠTƠ
1.1 KHÁI QT
- Đèn pha ơtơ thường được lắp phía trước xe ơtơ nói chung, mục đích chiếu sáng
con đường phía trước trong suốt thời gian 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 thi tai nạn giao thơng có thể xẩy ra bất kỳ lúc nào. Nhưng nếu
đèn pha ơtơ q 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 ôtô khi di chuyển
trong bóng tối. Sự ra đời của đèn đồng thời với xe ôtô, đèn pha đã trãi 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 khơng đáp ứng được tầm nhìn.
- Khi xem xét hệ thống tầm nhìn ban đêm điều quan trọng cần ghi nhớ những gì họ
có thể làm và khơng thể làm. Hệ thống tầm nhìn cung cấp giới hạn của lĩnh vực
nhìn, nó ln ln thích hợp hơn cho việc sử dụng chùm tia chiếu sáng cao mà tầm
nhìn thì bình thường. Chỉ có trong một số nơi các chùm sáng cao khơng được sử
dụng vào ban đêm, một hệ thống tầm nhìn ban đêm có thể hỗ trợ người lái trong
việc kiểm sốt tình hình các khả năng nguy hiểm. Một nghiên cứu mở rộng về các
khía cạnh của hệ thống tầm nhìn ban đêm đã được thực hiện bởi Viện nghiên cứu
Đại học Michigan giao thông vận tải.
- Tháng 9 năm 2005, DaimlerChrysler đã giới thiệu một hệ thống hoạt động tầm
nhìn ban đêm và đặt tên nó là hỗ trợ tầm nhìn ban đêm. Khi chùm tia ánh sáng cao
khơng được sử dụng vào ban đêm, hệ thống này cung cấp cho người lái xe nhìn thấy

xa hơn với chùm tia ánh sáng tốt. Vì vậy, người đi bộ, người đi xe đạp và những trở
ngại có thể nhìn thấy sớm hơn. Ngồi ra, người lái xe sẽ có một tầm nhìn tốt hơn về
qng đường phía trước.
Hộ trợ tầm nhìn ban đêm bao gồm các thành phần sau:

5


+ Người lái xe kích hoạt hệ thống bằng cách quay núm cơng tắc ánh sáng

Hình 1.1 Cơng tắc hỗ trợ tầm nhìn ban đêm
+ Hai chùm tia đặc biệt ở đèn pha chiếu sáng con đường phí trước là tia hồng ngoại
không thể thấy được. Khi hệ thống tầm nhìn ban đêm được kích hoạt, nó tự động
khi xe ở tốc độ trên 15 km/giờ, và vẫn hoạt động khi phanh tốc độ xe xuống còn 10
km/giờ.
+ Một camera hồng ngoại nhạy cảm đặt bên trong kính chắn gió, nó ghi lại cảnh
phía trước của chiếc xe. Một bảng điều khiển khuyếch tán ánh sáng bảo vệ máy ảnh
chống lại sự phản xạ ánh sáng không liên quan.
+ Một thiết bị điện tử xử lý hình ảnh từ máy ảnh và chuyền vào màn hình trắng, đen
trước tầm nhìn người lái xe.
Hổ trợ tầm nhìn ban đêm tương tự như chức năng chùm tia xa, nhưng mà khơng
làm chói mắt xe chạy ngược chiều. Ngay cả khi đèn pha của xe chạy ngược chiều
sáng mờ và bị khuất tầm nhìn. Tầm nhìn tốt hơn với hệ thống này hỗ trợ một hình
người thử nghiệm trong ánh sáng đang đứng ở cạnh đường phía sau là chiếc xe
đang tới, và đã được phát hiện từ khoảng cách trung bình là 140 m với sự trợ giúp
của hệ thống tầm nhìn ban đêm, với chùm tia chiếu gần phát hiện sớm hơn khoảng
53 m so với chùm tia chiếu gần bình thường.

6

Hình 1.2 Hình này khơng có hệ thống hỗ trợ tầm nhìn ban đêm

Hình 1.3 Hình này có hệ thống hỗ trợ tầm nhìn ban đêm
1.2 CÁC LOẠI BĨNG ĐÈN ĐIỆN ĐÃ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN Ơ TƠ
1.2.1 Bóng đèn sợi đốt

Hình 1.4 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 ơtơ 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 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 phần

7


tử 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 cịn trong cả cơng 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 khơng khí ra để ở mơi trường

chân khơng 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 ơtơ 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:
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

8


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 khơng 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 ơ tơ.
1.2.2 Bóng đèn Halogen được sử dụng phổ biến trên ơ tơ vào thời kỳ (1960 –
1990)

Hình 1.5 Bóng đèn Halogen
Ngành cơng nghiệp ơ tơ 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. Ngồi 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 đồn bóng đèn của Châu
Âu và các nhà sản xuất đèn pha. Bóng đèn này có một sợi đốt tiêu thụ điện năng H1
(55 watt - 12 volt tạo ra 1550 lumen (lm)). H2 (55 watt - 12 vôn tạo ra 1820 lumen),

9


H3 (55 watt - 12 vôn tạo ra 1450 lumen).
Đèn pha ơtơ 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 ơ nhiễm cho mơi trường vì trong bóng đèn có chứa chất khí halogen.
1.2.3 Bóng đèn Xenon

Hình 1.6 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 bong đèn Vonfram bình thường và Vonfram - Halogen. Bởi
vì, tăng lượng ánh sáng có trong bong HID so với bóng 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

10


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 khơng chạy trên dịng điện một chiều điện áp thấp, vì vậy bóng đèn
HID cần có một bộ chấn lưu đánh lửa nằm ở bên ngồi. 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 dịng 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 xun 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 sốt bằng tình trạng q tải. Bởi vì hồ
quang hoạt động ở cơng suất cao, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, các kim lọai 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 sốt vịng 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 dịng điện xoay chiều dạng sóng vng 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 vơn.
- 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 bóng đèn HID
tạo ra đáng kể sóng ánh sáng cực tím, nhưng khơng có một tia cực tím nào thốt ra
khỏi bóng đèn, một lá chắn hấp thụ tia cực tím bao quanh ống hồ quang của bóng

11


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 ơtơ 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 khơng làm chói xe lưu thơng ngược chiều.

Hình 1.7 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.

Hình 1.8 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2R
- D1S Là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa và có thấu kinh giúp
gom được nhiều ánh sáng hơn (được tích hợp bộ khởi động)

12


Hình 1.9 Cấu tạo bóng đèn D1S
- 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).

Hình 1.10 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 khơng
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 khơng có tác dụng an tồn 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 khỏang 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

13

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
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 19 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 phải 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

14


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
ngược chiều. bằng cách di chuyển lá chắn ra khỏi đường đi của chùm tia sáng, tồn
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.

Hình 1.11 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 1.12 Vai trò của phản xạ cho sự phân bố chiếu ánh sáng

15


Hình 1.13 Ngun 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 tốn 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 khơng 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 1.14 Tính chất trực chuẩn của thấu kính phi cầu (hình phía trên), tính chất
trực chuẩn của thấu kính hình cầu (hình phía dưới).
So với hình ảnh quang học, thấu kính hội tụ dùng cho đèn pha xe ơtơ có một góc
mở rất lớn, thường khoảng 40 độ. Một thấu kính hình cầu bằng như vậy một góc mở

16


sẽ từ độ mở sai lệch quá mức (xem hình 1.14). Cũng là một thấu kính hình cầu sẽ
khơng cung cấp đầy đủ kiểm sốt 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 qủa 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 sốt ánh sáng
chói và tạo ra q 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.

Hình 1.15 Kết cấu thấu kính màu (hình phía trên) và ngun tắc sửa chữa (hình
phía dưới).
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

17


chỉ số khúc xạ ánh sáng màu xanh thường cao hơn so với ánh sáng đỏ (xem hình
1.15). 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 hình1.15 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 ngồi 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, và 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 q trình chuyển đổi khơng phóng xạ, trong khi sản
xuất khơng 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.

Hình 1.16 Ngun lý hoạt động của đèn LED.

18


- Năm 1990 một cơng nghệ hồn tồn 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 ơtơ, 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 áng sáng màu trắng
với cường độ sáng tăng lên cho mỗi thiết bị, đã dẫn đến nguồn chiếu sáng phía
trước ơtơ, 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.
- Hình1.17a và 1.17b cho thấy hai mẫu xe với hệ thống đèn LED chiếu sáng phía
trước. Hình 1.17a 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 các
chùm tia chiếu gần. (Hình 1.17b) cho thấy một hệ thống đèn LED chiếu sáng phía
trước dựa trên ý tưởng của chiếc xe Mitsubishi SSU (super sports utility).

Hình 1.17a

Hình 1.17b

- Hình 1.17a là hệ thống ánh sáng đèn LED phía trước trên chiếc xe Fioravanti Yak.

19


- Hình 1.17b 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.
Loại đèn LED

5mm
dòng ánh sáng cao
dòng ánh sáng rất cao

Đầu ra ban

Số để sản xuất

đầu (lm)

ra 1000 lm

1

1000

20 - 40

25 -50

120

8

Số để sản xuất ra
400 lm ở trên đường
700
18 - 35
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 khơng gian khá nhỏ có thể chấp nhận được.

20


Loại đèn LED

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

5 mm

0,042

Dòng ánh sáng cao

0,012

Dòng ánh sáng rất cao

0,0008

Bảng tóm tắt để sản xuất ra 400 lumen ở trên đường.
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.
Nguồn sáng

cơng xuất cho mỗi

cơng xuất để sản

công xuất để sản

đèn (W)

xuất ra 1000lm

xuất ra 400 lm

(W)

chiếu sáng ở trên

đường (W)

5 mm

0,068

dòng ánh sáng 1

68

48

25 - 50

18 - 35

40

30

cao
Dịng ánh sáng 5
rất cao
Halogen

55

55

55

HID

35

35

35

Bảng tóm tắt hệ thống chiếu sáng phía trước của chiếc xe và mức tiêu thụ điện năng.
1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS)
Mục đích chính của sự sáng tạo hệ thống đèn pha là để tăng an tồn giao thơng, 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 thơng, loại

21


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 tỉnh và hệ thống đèn pha liếc động.
1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh

Hình 1.18 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
thơng thường, nguồn sáng phụ này có nhiệm vụ chiếu sáng góc cua khi xe vào cua
mà vùng sáng của đèn chiếu gần khơng 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
kích hoạt dựa vào ba yếu tố đó là góc đánh tay lái, tình trạng của đèn tiến hiệu, tốc

độ xe chạy.

Hình1.19 Đèn chiếu sáng

Hình 1.20 Đèn chiếu sáng góc cua

Góc cua tắt khi đi thẳng

sẽ bật lên cùng với đèn xi nhan

22


Hình 1.21 Đèn chiếu sáng góc của
Tự động bật lên khi vào của với

Hình 1.22 Cả hai đèn chiếu sáng góc
cua sẽ bật lên khi gặp sương mù hay lùi xe

tốc độ dưới 40 Km/giờ
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.

Hình 1.23 Xoay đèn chiếu gần về hướng của.

23

Hình 1.24 Đèn liếc động thay
đổi vùng sáng bằng gương

Hình 1.25 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng bằng
cách di chuyển cả chóa đèn

phản xạ.
- Việc thay đổi vùng chiếu sáng của đèn chiếu gần được thực hiện dựa vào hai tín
hiệu đó là góc xoay của vành lái và tốc độ xe.
- Phạm vi góc xoay của đèn cốt.
Đèn AFS thông minh
Điều khiển tốc độ thấp
cụm đèn

Trái

Rẽ phải

00 cố định

Rẽ trái

00 - 150

Phải

Trái

00 - 100

00 - 5 0

(sang phải)

(sang phải) (sang phải)

00

(sang trái)

Tốc độ trung bình - cao
Phải
00 - 100

00 - 150

(Cố định)

00 - 7,50

(sang trái)

(sang trái)

- Điều kiện hoạt đơng.

Tốc độ xe (chạy
tiến)
Góc vơ lăng

Điều khiển tốc độ thấp

Tốc độ trung bình
- cao

10 km/h (6mph) hay hơn

30 km/h (19 mph)
hay hơn

60 hay hơn

7,50 hay hơn

Đèn

Bật đèn cốt

Công tắc AFS

Công tắc AFS bật on

24


Sơ đồ hệ thống đèn pha tích cực (AFS).

- AFS phân phối ánh sáng khác nhau cho một số tình huống điểm hình. Hình dưới
đây cho thấy sự phân phối ánh sáng của AFS (advandced front lighting system)

trong đó bao gồm: ánh sáng ngoại thị, ánh sáng đường cao tốc, chùm tia chiếu xa,
sương mù nhẹ, thời tiết không tốt, ánh sáng nội thị, ánh sáng vào cua.

Hình1.26 CL- Ánh sáng ngoại thị, ML- Ánh sáng đường cao tốc, HB - Chùm
tia chính, FFL - Sương mù nhẹ, AWL - Thời tiết không tốt, TL - Ánh sáng nội
thị, BL - Ánh sáng vào cua.
Một đặc trương của sự phân phối ánh sáng nội thị là chùm tia sáng chiếu xuống
đường rộng hơn, giảm khu vực xuống để ngăn chặn ánh sáng chói chiếu vào

25