SISTEMA DE ILUMINACION AUTOMOTRIZ
CAPITULO 1
SISTEMAS DE ILUMINACIÓN EN LOS AUTOMÓVILES SUMARIO 1.1. Introducción. 1.2. Seguridad Activa 1.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Evolución 1.3.1. Sistemas de iluminación en los automóviles. Pasado 1.3.2. Sistemas de iluminación en los automóviles. Presente 1.3.2.1. Lámparas incandescentes 1.3.2.2. Tipos de lámparas y su utilización en el automóvil a) Plafón b) Pilotos c) Control d) Lancia e) Wedge f) Foco europeo g) Halógena 1.3.2.3. Principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras 1.3.2.4. Lámparas halógenas a) Lámparas H1 b) Lámpara H2 c) Lámpara H3 d) Lámpara H4 e) Lámpara H5 1.3.2.5. Lámparas de Xenón 1.3.2.5.1. Estructura de un faro de xenón 1.3.2.5.2. Funcionamiento de un faro de xenón 1.3.2.5.3. Faros con lámparas de descarga de gas bi-xenón 1.3.2.5.4. Funcionamiento de un faro bi-xenón 1.3.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Tendencias de Futuro 1.3.3.1. Faros diurnos 1.4. Luces: activas, de curva y antiniebla 1.4.1. Regulación automática del alcance luminoso 1.4.2. Luces activas en curva 1
CAPÍTULO 1 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN EN LOS AUTOMÓVILES 1.1.
Introducción.
Desde la creación del motor de combustión interna y el impulso industrial en lo que al automóvil se refiere se han realizado muchos cambios y evoluciones en cada uno de sus sistemas desde los mas sencillos utilizados en los primeros autos fabricados hasta los mas complejos y eficientes que se están implementado en los últimos modelos de vehículos en donde la electrónica es la parte fundamental y la que ha revolucionado toda la industria automotriz. Los cambios realizados en los vehículos se han dado por muchas razones, ya sea la comodidad del conductor y los ocupantes, las necesidades determinadas por las características mismas del vehículo y una de las razones con mayor peso es la seguridad de las personas que están dentro y fuera del vehículo. Es así como muchos sistemas han evolucionado según la necesidad, por ejemplo la necesidad de tener motores más pequeños y livianos pero con mayor potencia, llevó al desarrollo de nuevos materiales para su construcción y a mejorar el sistema de alimentación de combustible e ignición de la mezcla que ahora son controlados por computadora según las condiciones de conducción. El mejoramiento en el rendimiento de los motores hizo que los vehículos sean mas veloces pudiendo llegar a velocidades superiores a los 250 kilómetros por hora, volviéndose peligrosos para sus ocupantes y los peatones por lo cual se desarrollaron sistemas para hacerlos mas seguros tanto activa como pasivamente (seguridad activa y pasiva). Uno de los adelantos en seguridad activa es el sistema de iluminación de los automóviles, que es el tema que trataremos con más profundidad durante este capítulo. Siendo de gran importancia el sistema mencionado pues ayuda mucho en la conducción, 2
en la visibilidad del conductor y sobre todo ayuda a que el vehículo sea visto por los peatones y demás conductores advirtiéndoles de las maniobras que va ha realizar el conductor de dicho vehículo. El sistema de iluminación es uno de los elementos fundamentales en la conducción que ha evolucionado mucho en los últimos tiempos pues este debe adaptarse a las condiciones de conducción (carreteras en mal estado, con curvas muy pronunciadas, etc.) a las condiciones meteorológicas adversas (lluvia, neblina, etc.)
Aumentando así
La seguridad activa dirigida al alumbrado facilitando la visión del conductor así como el ser visto. 1.2.
Seguridad Activa
Todos estos adelantos en la tecnología de la iluminación del automóvil se han basado en aumentar la seguridad activa del vehículo. Durante años se han venido integrando elementos de seguridad en los nuevos vehículos por parte de sus fabricantes, quienes acatan las normas dictadas por organismos internacionales que realizan investigaciones sobre las causas de los accidentes de tránsito a fin de proteger la vida del conductor y los acompañantes. Hoy en día existen dos tipos de seguridad en los automóviles para salvaguardar la vida de miles de conductores y pasajeros, los cuales han sido desarrollados para funcionar antes y durante del impacto. A continuación se detallara la seguridad activa, es decir la que funciona antes del impacto. “La Seguridad Activa en el Automóvil son todos aquellos conjuntos de mecanismos o dispositivos destinados a disminuir el riesgo de que se produzca un accidente. Es decir engloba los dispositivos sobre los que el conductor puede actuar directamente: Sistema de frenado: detiene el vehículo y evita el bloqueo de las ruedas (ABS). Sistema de suspensión: garantiza la estabilidad durante la conducción. 3
Sistema de dirección: hace girar las ruedas de acuerdo al giro del volante. Sistema de climatización: proporciona la temperatura adecuada durante la marcha. Neumáticos: su dibujo es garantía de agarre, incluso en situaciones climatológicas adversas. Sistema de iluminación: permite al conductor ver y ser visto. Motor y caja de cambios: hacen posible adaptar la velocidad a las circunstancias de la carretera. Sistema de control de estabilidad: evita el vuelco del vehículo gracias al denominado sistema ESP. La seguridad activa está pensada para garantizar el buen funcionamiento de un vehículo en movimiento y responder a las órdenes del conductor. Precisamente, la pericia al volante de éste y la precaución son las claves para evitar un siniestro, siempre y cuando el automóvil responda como le pide el usuario.” 1 Uno de los factores importantes para la seguridad en el sistema de iluminación es la mayor visibilidad. Una de las mejores formas de evitar accidentes es que los conductores vean y sean vistos. Por esta razón, cuando los ingenieros y diseñadores, insisten en dotar a los automóviles de amplias ventanas que ayuden a reducir los ángulos muertos, limpiaparabrisas automáticos con velocidad intermitente variable, lunetas térmicas traseras, innovadores faros que producen una luz más natural, luces para circular durante el día, luces de visibilidad lateral y luces de freno elevadas. Todo ello es un componente integral del diseño. Se trata de un diseño que se reconoce fácilmente en las carreteras de todo el mundo.
1
Fundación EROSKI, Luces y sombras de los sistemas de alumbrado, 01 Enero 2007, http://revista.consumer.es/web/es/20070601/practico/consejo_del_mes/71603.php
4
En un coche los faros son tan importantes como lo son las ruedas ya que unos faros y luces eficaces tanto en la parte delantera como en la trasera del vehículo son la base tanto para ver correctamente como para ser visto por el resto de conductores. La calidad de la iluminación depende especialmente de la calidad de la fuente luminosa. La regulación de las luces es muy importante para evitar perder visibilidad de la carretera o deslumbrar a otros conductores que circulen en sentido contrario. Se observa que uno de cada tres proyectores se encuentra desreglado o deteriorado de manera que es necesario sustituirlo. Esto pone de relieve la importancia de revisar y mantener periódicamente el sistema de iluminación. Para ello es importante seguir las siguientes recomendaciones: “Compruebe el funcionamiento de sus luces - faros, posición, intermitentes y frenos- periódicamente. Un mal estado del sistema de alumbrado genera una mala visibilidad de la calzada en la oscuridad, incrementa la fatiga visual del conductor y la dificultad de otros conductores para ver su vehículo y sus maniobras. Aunque todas las luces funcionen correctamente, cambie las lámparas cada 50.000 kilómetros o cada dos años, siempre por parejas, aunque su duración depende de sus características. Por desperfectos o roturas externas de las pantallas protectoras se pueden producir condensaciones en el interior del faro y se corre el riesgo de que se funda alguna bombilla. Instale lámparas originales. El bajo coste en muchos casos viene acompañado de menor vida útil y menor potencia lumínica. Bajo ningún motivo coloque lámparas xenón en faros de lámparas halógenas, porque el faro debe estar preparado para ello. Otro aspecto importante es su correcta regulación. Una luz muy alta puede deslumbrar a otros conductores y, en cualquier caso, es peligroso porque le hará perder visibilidad. Lo mismo ocurre si están excesivamente bajas. 5
Un mal reglaje puede deberse a golpes, al mal estado de los amortiguadores o a que viaja con su vehículo muy cargado. Hoy, la mayoría de los coches disponen de reguladores para corregir la altura de los faros. No se olvide de la limpieza y del buen estado de la pantalla protectora. Si los faros o los pilotos están sucios, se reduce la distancia de alumbrado y aquella desde la cual es visto. Una simple capa de polvo en la superficie de los faros puede reducir su eficacia hasta en un 10% y la solución es tan sencilla como pasar de vez en cuando un paño húmedo.” 2 Por tanto, es fundamental que las luces de los vehículos sean de buena calidad y los usuarios las mantengan en buen estado ya que si se cumplen estos consejos y recomendaciones es posible reducir multitud de muertes a causa de la falta de visibilidad al volante. 1.3.
Sistemas de iluminación en los automóviles. Evolución
Desde que salió al mercado el primer automóvil, se hizo necesario un sistema de iluminación que permita al conductor ver y ser visto por los demás, ya sean otros conductores o peatones. Desde sus inicios el sistema de iluminación ha tenido muchas transformaciones desde sistemas muy sencillos que solo utilizaban candiles y velas, hasta llegar a la sofisticación de estos sistemas con la ayuda de la electrónica. En este punto describiremos la evolución de este sistema y algunos de los prototipos que están a punto de salir al mercado. 1.3.1. Sistemas de iluminación en los automóviles. Pasado Los primeros vehículos creados se basaron en los modelos de las carrosas tirados por caballos. En 1769 salió a la luz el primer vehículo propulsado a vapor fue creado por Nicholas-Joseph (Véase la Figura 1.1). Se trataba de un verdadero triciclo provisto con ruedas de madera, llantas de hierro y pesaba 4,5 toneladas. Y como era de suponerse 2
Fundación EROSKI. Op. Cit.
6
adoptaron el sistema de iluminación de aquellos vehículos; es decir, los primeros automóviles construidos a partir de coches de caballos, aún confían la iluminación a velas y lámparas de queroseno (Véase la Figura 1.2), las cuales eran colgadas en la parte más alta del vehículo con la finalidad de iluminar el camino.
Figura 1.1: Primer vehículo propulsado a vapor
Figura1.2: lámpara de queroseno
Fuente: Microsoft ENCARTA, Historia del automóvil, 2008.
Luego en 1866 el motor de vapor es reemplazado por un motor de combustión interna el alemán Gottlieb Daimler construyó el primer automóvil propulsado por un motor de combustión interna y poco después en 1908 llegan los primeros faros que utilizan lámparas de gas de acetileno las cuales estaban provistas de espejos y mejores vidrios para aumentar el caudal de luz, como se muestra en la Figura 1.3.
Figura 1.3: Vehículo provisto con lámpara de acetileno Fuente: Microsoft ENCARTA, Historia del automóvil, 2008.
7
Este tipo de lámpara (Véase la Figura 1.4) se basa en la conocida reacción del carburo cálcico al entrar en contacto con agua. Así, el carburo en polvo o en forma de Pellet (Denominación genérica, no española, utilizada para referirse a pequeñas porciones de material aglomerado o comprimido). Se almacenaba en un pequeño cubículo al fondo de la lámpara. Sobre el recipiente de carburo aparecía otro, con agua, que iba cayendo gota a gota, a velocidad controlada por una Espita (Tubo corto que se abre o cierra por el giro de una llave o mediante una palanca y que se pone en el agujero por donde se vacía un tonel o un recipiente cualquiera, o en un conducto o cañería para regular el paso de un fluido, sobre el carburo). Al entrar en contacto el agua con el compuesto cálcico, se originaba acetileno, gas inflamable, que se conducía hacia una boquilla para ser prendida y, así, ofrecer una luz potente y limpia la que se podía controlar según el goteo del agua; este tipo de lámpara podía iluminar durante ocho horas sin ningún problema.
Figura 1.4: Lámpara de gas de acetileno. Fuente: Microsoft ENCARTA, Historia del automóvil, 2008.
En 1881 aparece el primer vehículo Eléctrico de Jeantaud. La corriente necesaria para su funcionamiento la proporcionan 21 baterías. Una vez que los automóviles dejaron de tener similitud con las carrozas tiradas por caballos, sus prestaciones comenzaron a mejorar de forma notable. Los candiles que se utilizaban hasta entonces comenzaron a ser insuficientes; es decir, proporcionar la visibilidad adecuada al conductor. Fue entonces, que en 1915 aparecieron los primeros alternadores y los sistemas eléctricos de iluminación.
8
Los coches comienzan a ser dotados de luces traseras y de pilotos de freno. Los faros empiezan a ser equipados con bombillas de doble filamento, que proporcionan luz larga y de cruce intercambiables manualmente como se muestra en la Figura 1.5.
Figura 1.5: vehículo dotado con un sistema de iluminación eléctrico Fuente: Microsoft ENCARTA, Historia del automóvil, 2008.
En la primera y segunda guerra mundial que se dieron en 1914 y 1939 respectivamente, ambos bandos utilizaron mucho los vehículos a motor, esto hizo que la industria del automóvil tenga su despegue definitivo que desde entonces ha conocido una marcha imparable de mejoras e innovaciones. Los sistemas de alumbrado del automóvil evolucionaron en paralelo a los vehículos de motor. Por lo cual en 1930 los coches incorporan por primera vez brazos plegables como indicadores de giro; aparecen también los primeros faros antiniebla y las luces cuneteras. Ya para 1950 las Tulipas (Pantalla de vidrio a modo de campana transparente, con forma algo parecida a la de un tulipán) de plástico permiten incorporar los pilotos traseros en la carrocería. Un año más tarde Ford introduce en el modelo Taunus el primer intermitente. Siete años más tarde por primera vez los automóviles montan faros con luces asimétricas, como los de los coches actuales. En la década de los 60, se lanza al mercado un tipo de lámpara halógena. Sin embargo, los faros equipados con este tipo de dispositivos tenían sus limitaciones. En concreto, resultaba difícil concentrar el haz de luz y aprovechar de forma eficiente el flujo lumínico generado por las lámparas. Para compensar esta desventaja en 1965 aparecen los primeros faros con doble lámpara halógena H1, pero no fueron suficientes, esto se dejó notar especialmente a mediados de los 70, cuando la primera crisis del petróleo 9
obligó a los fabricantes de automóviles a desarrollar vehículos más aerodinámicos. Esto exigía a su vez faros de menor diámetro y, consecuentemente, con menor capacidad de iluminación. Las lámparas halógenas de mayor potencia, como las H4 y las H7, vinieron a solventar este problema. La llegada de los intermitentes electrónicos marca el inicio del desembarco de la electrónica en el automóvil. A finales de los años 80 también nacieron las parábolas reflectoras de geometría compleja o free-form reflector, que eran mucho más efectivas que los reflectores circulares. Estos dispositivos presentan numerosas ventajas. Por un lado, permiten aprovechar más eficientemente el caudal de luz. Además, gracias a las múltiples caras de sus parábolas, también logran dirigir mejor la luz, reducir la zona de deslumbramiento y crear mayores áreas de alumbrado. 1.3.2. Sistemas de iluminación en los automóviles. Presente Desde 1988 ya los vehículos estaban provistos de un sistema de iluminación muy eficiente que utiliza lámparas halógenas de gran potencia y faros provistos de parábolas reflectoras de geometría compleja. A continuación describiremos el funcionamiento de una lámpara, sus tipos y cuál es su utilización en el vehículo, además explicaremos el principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras. 1.3.2.1. Lámparas incandescentes “ Las lámparas están constituidas por un filamento de tungsteno o wolframio que se une a dos terminales soporte; el filamento y parte de los terminales se alojan en una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío y se ha llenado con algún gas inerte (argón, neón, nitrógeno, etc.); los terminales aislados e inmersos en material cerámico se sacan a un casquillo, éste constituye el soporte de la lámpara y lleva los elementos de sujeción (tetones, rosca, hendiduras, etc.) por donde se sujeta al portalámparas como se muestra en la Figura 1.6.
10
Cuando por el filamento pasa la corriente eléctrica éste se pone incandescente a elevada temperatura (2000 a 3000ºC) desprendiendo gran cantidad de Luz y calor por lo que se las conoce como lámparas de incandescencia; en el automóvil se emplean varios tipos aunque todos están normalizados y según el empleo reciben el nombre, pudiendo ser para: faros, pilotos, interiores y testigos.
Figura 1.6: Lámpara de incandescencia Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
Las lámparas de alumbrado se clasifican de acuerdo con su casquillo, su potencia y la tensión de funcionamiento. El tamaño y forma de la ampolla (cristal) depende fundamentalmente de la potencia de la lámpara. En los automóviles actuales, la tensión de funcionamiento de las lámparas es de 12 V prácticamente en exclusiva. A continuación clasificaremos a las lámparas por la forma de su ampolla. 1.3.2.2. Tipos de lámparas y su utilización en el automóvil: a) Plafón: Su ampolla de vidrio es tubular y va provista de dos casquillos en ambos extremos en los que se conecta el filamento (Véase la Figura 1.7). Se utiliza fundamentalmente en luces de techo (interior), iluminación de guantera, maletero y algún piloto de matrícula. Se fabrican en diversos tamaños de ampolla para potencias de 3, 5, 10 y 15 W.
Figura 1.7: Plafón Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
11
b) Pilotos: La forma esférica de la ampolla se alarga en su unión con el casquillo metálico, provisto de 2 tetones que encajan en un portalámparas de tipo bayoneta (Véase la Figura 1.8). Este modelo de lámpara se utiliza en luces de posición, iluminación, stop, marcha atrás, etc. Para aplicación a luces de posición se utilizan preferentemente la de ampolla esférica y filamento único, con potencias de 5 o 6 W. En luces de señalización, stop, etc., se emplean las de ampolla alargada con potencia de 15, 18 y 21 W. En otras aplicaciones se usan este tipo de lámparas provistas de dos filamentos, en cuyo caso, los tetones de su casquillo están posicionados a distintas alturas.
Figura 1.8: Pilotos Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
c) Control: Disponen un casquillo con dos tetones simétricos y ampolla esférica o tubular. Se utilizan como luces testigo de funcionamiento de diversos aparatos eléctricos, con potencias de 2 a 6 W. (Véase la Figura 1.9).
Figura 1.9: Control Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
d) Lancia: Este tipo de lámpara es similar al anterior, pero su casquillo es más estrecho y los tetones de los que está provisto son alargados en lugar de redondos (Véase la Figura 1.10). Se emplea fundamentalmente como señalización de cuadro de instrumentos, con potencias de 1 y 2 W. 12
Figura 1.10: Lancia Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
e) Wedge: En este tipo de lámpara, la lámpara tubular se cierra por su inferior en forma de cuña, quedando plegados sobre ella los hilos de los extremos del filamento, para su conexión al portalámparas (Véase la Figura 1.11). En algunos casos este tipo de lámpara se suministra con el portalámparas. Cualquiera de las dos tiene su aplicación en el cuadro de instrumentos.
Figura 1.11: Wedge Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
f) Foco europeo: Este modelo de lámpara dispone una ampolla esférica y dos filamentos especialmente dispuestos. Los bornes de conexión están ubicados en el extremo del casquillo (Véase la Figura 1.12). Se utiliza en luces de carretera y cruce.
Figura 1.12: Foco Europeo Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
13
g) Halógena: Al igual que la anterior, se utiliza en alumbrado de carretera y cruce, así como en faros antiniebla (Véase la Figura 1.13).
Figura 1.13: Halógena Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
Las lámparas van dentro de los faros que proyectan su luz. Los faros a su vez deben de llevar a cabo dos tareas opuestas: una trata de conseguir una luz potente para realizar una conducción segura, con una cierta difusión cerca del vehículo, a fin de obtener una buena iluminación que permita ver bien el pavimento y la cuneta. Por otra parte, tiene que evitar que esta potente luz no deslumbre a los conductores de los vehículos que vienen en sentido contrario, hace falta otra luz más baja o de cruce, que sin deslumbrar, permita una iluminación suficiente para mantener una velocidad razonable con la suficiente seguridad. Para lograr todo esto el emisor de luz es colocado dentro de la parábola la cual determina como será reflejada la luz al exterior esto se explica a continuación.” 3 1.3.3. Principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras “Cuando el punto brillante se coloca en el foco de la parábola la luz reflejada sale como un haz concentrado formado por líneas paralelas dirigidas rectas al frente del foco, en este caso el haz luminoso tiene el máximo alcance y representa la luz de carretera” 4 como se muestra en la Figura 1.14. 3
Dani meganeboy, Lámparas utilizadas en el automóvil, 15 Abril 2008, www.mecanicavirtual.com
4
Anónimo, Sistema de iluminación, 20 Diciembre 2009, http://www.sabelotodo.org/automovil/sisiluminacion.html
14
Figura 1.14: Punto luminoso en el foco de la parábola Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
“Si el filamento luminoso se coloca por delante del foco, los rayos reflejados salen de la lámpara con un ángulo de desviación con respecto al eje de la parábola y el alcance se reduce” 5 como se muestra en la Figura 1.15.
Figura 1.15: Punto luminoso por delante del foco de la parábola Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
Si se coloca una superficie reflectora de forma adecuada debajo de la bombilla, que impida la iluminación de una parte de la parábola, el haz de luz se inclina hacia abajo como se muestra en la Figura 1.16.
5
Anónimo, Sistema de iluminación, Op. Cit.
15
Figura 1.16: Superficie reflectora debajo del punto luminoso Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
Con lo cual se consigue la luz corta o de cruce, ya que esta concentra la iluminación en la zona cercana por delante del automóvil para garantizar la iluminación adecuada del camino mientras el conductor que circula en sentido contrario se encuentra en una zona de sombra. “Para el alumbrado de carretera se obtiene, por consiguiente, una intensidad luminosa considerable por un haz de rayos paralelos de gran alcance. Pero esto no es lo que se busca para el alumbrado de carretera ya que se necesita una proyección de luz a gran distancia, pero que no se concentre en un punto sino que se extienda por toda la anchura de la carretera. Para lograr este objetivo el deflector o cristal que cubre el foco suele ir tallado formando prismas triangulares, de tal forma que se consiga una desviación hacia abajo del haz luminoso y una dispersión en el sentido horizontal” la Figura 1.17.
Figura 1.17: Deflector de cristal tallado Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
6
Dani meganeboy, Op. Cit.
16
6
como se muestra en
“El alumbrado de carretera por su intensidad llega a deslumbrar a los conductores de los automóviles que circulan en sentido contrario. Para evitar esto se dispone del alumbrado de cruce, que se obtiene instalando un segundo filamento por delante del foco geométrico de la parábola, con lo que se consigue que los rayos de luz salen de forma convergentes. Este filamento tiene la peculiaridad de disponer una pequeña pantalla por debajo de él, que evita que los rayos de luz que despide el filamento hacia abajo, sean reflejados por la parábola, con lo cual, solamente lo son los que salen hacia la mitad superior, que parten del reflector con una cierta inclinación hacia abajo, lo que supone un corte del haz de luz, que incide en el suelo a una menor distancia evitando el deslumbramiento mientras permite la iluminación del borde del camino y sus áreas adyacentes para mejorar la seguridad de conducción. Los filamentos de las lámparas de carretera y cruce se disponen generalmente en una sola lámpara que tiene tres terminales uno de masa, otro de cruce y el otro de carretera. La fijación de la lámpara al faro se realiza por medio de un casquillo metálico (G), de manera que encaja en una posición única, en la cual, la pantalla (C) del filamento de cruce queda posicionada por debajo de él en el montaje como se muestra en la Figura 1.18. Para ello el casquillo va provisto de un resalte que encaja en el foco en una posición predeterminada.” 7
Figura 1.18: Esquema de una lámpara de alumbrado (cruce/carretera) Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
Para aprovechar al máximo la intensidad luminosa del alumbrado de cruce sin deslumbrar al conductor que viene en sentido contrario, se utiliza un sistema de
7
Dani meganeboy, Op. Cit.
17
alumbrado llamado de "haz asimétrico". Este efecto consigue dando una pequeña inclinación a la pantalla situada por debajo del filamento de luz de cruce, de forma que el corte de haz de luz se levante en un ángulo de 15º sobre la horizontal a partir del centro y hacia la derecha. Como se muestra en la Figura 1.19, la parte derecha de la calzada queda mejor iluminada, permitiendo ver mejor el carril por donde vamos circulando sin deslumbrar a los conductores que vienen en sentido contrario.” 8
Figura 1.19: Haz de luz asimétrico Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
1.3.2.4. Lámparas halógenas “Para aumentar la intensidad luminosa de una lámpara se puede aumentar la temperatura de funcionamiento de la misma, pero la forma constructiva de las lámparas incandescentes limitan su temperatura de funcionamiento por lo que también se ve limitada su intensidad luminosa. Las lámparas halógenas presentan la ventaja de que la intensidad luminosa es muy superior a la de una lámpara convencional, con un pequeño aumento del consumo de corriente y una vida más larga de funcionamiento. La ausencia casi total de ennegrecimiento de la ampolla, hace que su potencia luminosa sea sensiblemente igual durante toda la vida útil de la lámpara.
8
Dani meganeboy, Op. Cit.
18
Figura 1.20: Lámpara Halógena Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009
En la Figura 1.20 puede verse la constitución de una lámpara de halógeno de doble filamento para carretera y cruce, donde se aprecia la disposición en línea de ellos y la situación de la pantalla en el de cruce. El extremo de la ampolla está recubierto con pintura negra especial. La zona recubierta con pintura tiene una influencia directa sobre la distribución de la temperatura en el interior de la ampolla durante el ciclo de halógeno. Atendiendo a la forma de la ampolla, numero de filamentos y posicionamiento de los mismos, existen básicamente las siguientes clases de lámparas halógenas: a) Lámparas H1, de ampolla tubular alargada en la que el único filamento está situado longitudinalmente y separado de la base de apoyo. En su casquillo se forma un platillo de 11 mm de diámetro. Se utiliza fundamentalmente en faros de largo alcance y antiniebla, con potencias de 55, 70 y 100 W. b) Lámpara H2, similar a la anterior en cuanto a filamento y ampolla, pero de menor longitud y no dispone de casquillo, sino unas placas de conexión. Es empleada básicamente en faros auxiliares, con potencias similares a la anterior. c) Lámpara H3, cuyo único filamento está situado transversalmente sobre la ampolla y no dispone de casquillo, acabando el filamento en un cable con terminal conector. Se utiliza principalmente en faros auxiliares antiniebla y largo alcance, con potencias similares a las anteriores.
19
d) Lámpara H4, que es la más utilizada en luces de carretera y cruce. Sus dos filamentos van situados en línea alojados en una ampolla cilíndrica, que se fija a un casquillo con plataforma de disco para su acoplamiento a la óptica del faro. En algunos casos, la ampolla principal se cubre con otra auxiliar que puede ser coloreada para aplicación a países que utilizan alumbrado intensivo con luz amarilla. Generalmente se disponen los filamentos con potencias de 55/60 W (cruce-carretera), 70/75 y 90/100 W. e) Lámpara H5, que es similar a la anterior, de la que se diferencia únicamente por el casquillo, como se muestra en la Figura 1.21.
Figura 1.21: Tipos de lámparas halógenas Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
El empleo de lámpara halógena en lugar de la convencional representa un fuerte aumento de la energía luminosa. Para la luz de carretera, 1200 lm (lúmenes) en lugar de los 700 lm de la lámpara convencional y en luz de cruce 750 lm frente a 450 lm. Los faros halógenos dan una mayor profundidad de visión en la luz de carretera, mientras 20
que en la de cruce, aunque la distancia iluminada es la misma, la luz es mucho más intensa y el haz luminoso más ancho, lo que permite ver mejor los bordes de la calzada. Dada la mayor temperatura de funcionamiento de la lámpara halógena y su potencia luminosa, se hace necesario emplear reflectores apropiados a ellas, cuya fabricación requiere unos niveles de calidad y precisión netamente superiores a los de un reflector convencional. En cuanto al cristal de la óptica se refiere, está mucho más cuidado el tallado de los prismas encargados de dirigir con precisión el haz luminoso, especialmente con el funcionamiento de la luz de cruce. Con las lámparas halógenas debe tenerse la precaución de no tocar con los dedos el cristal de cuarzo, pues aparte de las quemaduras que puede provocar cuando está caliente, la grasilla depositada con el tacto, produce una alteración permanente en el cristal con las altas temperaturas. Por esta razón, cuando se haya tocado el cristal, debe limpiarse con alcohol antes de poner en servicio la lámpara.” 9 A pesar de que este sistema es efectivo, tiene una desventaja; su haz luminoso no es lo suficientemente intenso (aproximadamente la zona iluminada es de 60 metros) lo que hace que se reduzca la distancia de visibilidad del conductor por lo cual y siguiendo con la historia de la evolución del sistema de iluminación en los vehículos, describimos algunos acontecimientos que año tras año se fueron dando desde 1992 en donde se desarrolla un sistema de faros con un alto rendimiento luminoso. En 1992 comienza la fabricación en serie de la primera generación de faros de descarga de alta intensidad (High Intensity Discharge, HID), más conocido como faro de xenón. Un año más tarde las pantallas de plástico comienzan a sustituir a las de vidrio en los faros.
9
Dani meganeboy, Op. Cit.
21
En 1994 aparece la tercera luz de freno formada por light emitting diodes (diodos emisores de luz), más conocidos como LED. En 1996 se presenta el primer sistema de faros de xenón que incorpora luz larga y de cruce, el bi-xenón. Al siguiente año, el Salón de Ginebra es el escenario de la presentación del primer prototipo dotado con faros bi-xenón. Dos años después en 1998 llegan los primeros pilotos traseros con recubrimiento metalizado, tan comunes hoy en día. Ya para 1999 los faros bi-xenón empiezan a ser producidos en serie y se prosigue con el desarrollo de las unidades de control de los faros HID de cuarta generación. En las dos últimas décadas se ha desarrollado y construido un sistema de iluminación de faros de xenón (HID) que pertenece a la generación actual. A continuación se describe en qué consiste este nuevo sistema. 1.3.2.5. Lámparas de Xenón Estas lámparas son un sistema de iluminación con alto rendimiento luminoso capaz de iluminar una zona de más de 140 metros como se muestra en la Figura 1.22, con esto se logra aumentar la seguridad activa durante la conducción. Se instalan estas lámparas actualmente en los vehículos de alta gama, aunque también se empiezan a ver cada vez más en vehículos de gama media.
Figura 1.22: Vehículo equipado con lámparas de Xenón Fuente: Autocosmos.com, Xenón HID: Lo último en iluminación para tu auto, 2006
22
1.3.2.5.1. Estructura de un faro de xenón El faro esta formado por una unidad de control y un bloque de encendido, generalmente vienen incorporados en el faro. Además también existen algunos modelos en los que la unidad de control está sobre una pletina colocada cerca de las torres de amortiguación. Por lo general, algunos de los componentes del faro de descarga de gas pueden ser sustituidos por separado (Véase la Figura 1.23).
Figura 1.23: Estructura de un faro de xenón Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
1.3.2.5.2. Funcionamiento de un faro de xenón “Funcionan por descarga de gas, en el interior de la ampolla hay gas xenón y halogenuros metálicos; para el funcionamiento se requiere un dispositivo electrónico que debe llevarlo el vehículo que utilice estas lámparas, el dispositivo enciende la lámpara y controla el arco. Para el encendido el sistema electrónico eleva la tensión entre los electrodos del interior de la ampolla creándose un arco de luz gracias al gas xenón y a la gasificación de los halogenuros metálicos. La luz es generada por medio de un arco voltaico de hasta 30.000 voltios, entre los dos electrodos de tungsteno situados en la cámara de vidrio. El arco es generado por una reactancia o reacción que produce una corriente alterna de 400 Hz. En el interior de la lámpara se alcanza una temperatura de aproximadamente 700 ºC.
La temperatura de luz de estas lámparas es de 4100 a 4500ºk
frente a los 3200 de las halógenas, por los que es más blanca” 10 (Véase la Figura 1.24).
23
Figura 1.24: Partes implicadas en el funcionamiento del faro Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
Cuando se ha logrado el encendido, la lámpara de descarga de gas funciona aproximadamente durante 3 segundos después del encendido, con una corriente de mayor intensidad. El único objetivo de esto es que la lámpara alcance su claridad máxima con un retardo mínimo de 0,3 segundos. Por este ligero retardo no se utilizan lámparas de descarga de gas en la luz de carretera. Debido a la composición química del gas, en la ampolla (bulbo) de la lámpara se genera una luz con elevados porcentaje de luz verde y azul. Esa es la principal característica de identificación exterior de la técnica de luminiscencia por descarga de gas. A continuación se describen algunas de las ventajas de esta novedosa generación de faros, comparándolos con la tecnología convencional de lámparas: “El rendimiento luminoso es unas tres veces mayor. Para generar el doble de intensidad luminosa que una lámpara convencional de 55 W, se utiliza una descarga de gas de sólo 35 W. De esta manera se reduce el consumo aproximadamente en un 25%. La energía eléctrica convertida en calor es mucho menor por lo que se pueden usar faros pequeños y de materiales plásticos. 24
Banda de luz más amplia. Mediante una configuración especial del reflector, visera y lente se consigue un alcance superior y una zona de dispersión más ancha en la zona de proximidad. De esta forma se ilumina mejor el borde de la calzada, lo cual reduce la fatiga visual del conductor. La vida útil es de unas 2.500 horas. Cinco veces más que una lámpara halógena. También presenta algunos inconvenientes: Tardan 60 segundos en dar luz máxima (3200lm) aunque al segundo dan 800lm (lúmenes). Necesitan equipo electrónico de encendido y control. Se permite el uso solo en combinación con sistemas automáticos de regulación de altura de la luz de los faros y de lavafaros (lo del lavafaros es para que siempre estén limpios, pues la suciedad es un aislante térmico y sin evacuaciones del calor se produce avería segura). Precio de lámparas e instalación requerida.” 11 1.3.2.5.3. Faros con lámparas de descarga de gas bi-xenón En el sistema descrito anteriormente era imposible generar las luces de cruce y carretera utilizando una sola lámpara de descarga de gas. No se podía modificar el límite clarooscuro en el funcionamiento. Sin embargo en la actualidad es posible utilizar la luz de xenón tanto para luz de cruce como para luz de carretera, esto se logra haciendo intervenir un obturador mecánico “shutter”, cuya posición es conmutada por un electroimán (Véase la Figura 1.25).
11
Dani meganeboy, Op. Cit.
25
Figura 1.25: Elementos que forman el foco bi-xenón Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
Este mecanismo obturador lo que hace es cubrir una parte de la luz generada por la lámpara, con lo que se obtiene la luz de cruce. Cuando el mecanismo pasa a la posición de carretera el mecanismo obturador deja pasar la totalidad de la luz generada por la lámpara. “Se sigue manteniendo una lámpara H7 para la función de ráfagas, ya que la bombilla de xenón, debido a las características de inflamación del gas para la producción de luz, no puede trabajar en la función de apagado y encendido rápido.” 12 1.3.2.5.4. Funcionamiento de un faro bi-xenón Para el generar la luz de cruce y carretera el obturador mecánico actúa directamente sobre la lámpara de descarga de gas; el obturador se mueve de adelante hacia atrás esto hace que la lámpara bascule sobre un eje de arriba hacia abajo, con lo cual el haz de luz modifica su trayectoria proyectándose hacia abajo (luz de cruce) o hacia arriba (luz de carretera), como se muestra en la Figura 1.26.
12
Dani meganeboy, Op. Cit.
26
Figura 1.26: Esquema de funcionamiento de un faro bi-xenón Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
1.3.4. Sistemas de iluminación en los automóviles. Tendencias de Futuro Para dotar a los coches de sistemas de iluminación acordes a sus prestaciones cada vez es más frecuente la utilización de circuitos electrónicos de control en el sistema de iluminación del automóvil, de esta forma en un auto actual es frecuente que las luces de carretera se apaguen solas si el conductor se descuida y las deja encendidas cuando abandona el vehículo, o, las luces de cabina estén dotadas de temporizadores para mantenerlas encendidas un tiempo después de cerradas las puertas, y otras muchas, lo que hace muy difícil generalizar, no obstante se tratará de describir el sistema mínimo necesario. Con todas estas adecuaciones se pretende mejorar la seguridad activa del vehículo. A continuación se describe algunas tendencias del futuro en los sistemas de iluminación. En los próximos años muchos vehículos contaran con un sistema de iluminación interior basados en la tecnología LED. Además Se anuncia el sistema DynaView, capaz de orientar los faros del vehículo para iluminar las curvas, que podrá ser adaptado a cualquier vehículo presente en el mercado. Otra de las tendencias es hacer que las luces de xenón sean orientables.
27
Y lo último será la posible generalización de los faros de LED para la iluminación de los vehículos. Los faros que funcionan sin bombilla y cuya luz es graduable y modulable a voluntad. Es la tecnología LED, acrónimo del inglés light emitting diodes o diodos emisores de luz (Véase la Figura 1.27). Se trata, como su nombre indica, de componentes electrónicos capaces de producir luz. Las ventajas que ofrecen respecto a los faros convencionales son muchas e importantes: simplicidad, menor consumo, mejor distribución de la luz y posibilidad de crear zonas de alumbrado, así como capacidad de modular la intensidad de la potencia lumínica.
Figura 1.27: Automóvil equipado con faros de LED Fuente: CasaCocheCurro.com, LED, iluminación eficiente que ahorra combustible, 2009
Estos faros suponen la culminación de un proceso de innovaciones que comenzó a principios del siglo XX, cuando las primeras lámparas eléctricas sustituyeron a los viejos candiles que el automóvil heredó de los coches de caballos. Desde entonces los vehículos de motor han visto el paso de los faros halógenos y, sobre todo, la llegada de los faros de xenón, el sistema más eficaz disponible hoy en día, pero que podría comenzar a ser reemplazado por la tecnología led a partir de 2010. Estos sistemas de alumbrado presentan numerosas ventajas sobre los HID. Por una parte, están compuestos por un gran número de pequeñas lámparas. La intensidad de éstas se puede variar de forma individual para producir haces de luz de las formas más diversas. Además, los LED consumen aún menos que las lámparas de xenón y duran tanto como aquéllas, aunque su respuesta es mucho más rápida. 28
Pero los LED también tienen inconvenientes. Según Wolfgang Peitz, un LED se funde a 80 grados de temperatura, lo que limita su empleo en muchos coches actuales. No obstante a partir de 2006 se habrá solventado este problema y los faros de LED comenzarán a instalarse en el automóvil. Pero estima que 2010 podría ser una fecha más razonable para el inicio de la producción en serie de este tipo de dispositivos, que tienen un gran potencial y que prometen contribuir a mejorar aún más la seguridad del automóvil. 1.3.3.1. Faros diurnos “La iluminación diurna, a diferencia de las anteriores, no sirve para ver, sino para ser visto (Véase la Figura 1.28). En la actualidad en numerosos países, ya es obligatorio su uso. El problema radica en que este tipo de lámparas deberían tener una vida útil más prolongada y consumir sensiblemente menos que una convencional. Por ello en la actualidad se apuesta por diodos LED para este tipo de iluminación. La mayor controversia se presenta en el aumento del consumo de combustible y por tanto en el aumento de emisiones contaminantes a la atmósfera.” 13
Figura 1.28: Prototipo de vehículo provisto con faros diurnos Fuente: SANCHES, Miguel, Electromecánica, 2006
13
SANCHES, Miguel, Electromecánica, Marzo 2006, http://www3.mapfre.com/cesvimaprevista/revista55/pdfs/electromecanica.pdf
29
A continuación se realiza un cuadro de resumen de los acontecimientos más importantes en la evolución del sistema de iluminación conjuntamente con el año en que sucedieron (Véase la Tabla 1.1) 1988 Los primeros automóviles aún confían la iluminación a velas y lámparas de queroseno. 1908 Llegan los primeros faros que utilizan lámparas de gas de acetileno. 1915 Aparece el primer alternador eléctrico para automóvil. 1924 Los faros empiezan a ser equipados con bombillas de doble filamento. 1951 Ford introduce en el modelo Taunus el primer intermitente. 1957 Por primera vez los automóviles montan faros con luces asimétricas, como los de los coches actuales. 1965 Aparecen los primeros faros con doble lámpara halógena H1. La llegada de los intermitentes electrónicos marcan el inicio del desembarco de la electrónica en el automóvil. 1988 Se producen las primeras unidades de faros con parábolas de forma compleja, mucho más efectivos que los reflectores semicirculares. 1992 Comienza la fabricación en serie de la primera generación de faros de xenón (HID). 1997 El Salón de Ginebra es el escenario de la presentación del primer prototipo dotado con faros bi-xenón. 1999 Los faros bi-xenón empiezan a ser producidos en serie. 2002
Se anuncia el sistema DynaView, capaz de orientar los faros del vehículo para iluminar las curvas. Puede ser adaptado a cualquier vehículo presente en el mercado.
2003 Se inicia la producción de las primeras luces de xenón orientables. 2010 Posible generalización de los faros de LED. Tabla 1.1: Acontecimientos importantes en la evolución del sistema de iluminación Fuente: Los autores
30
1.4.
Luces: activas, de curva y antiniebla
Para aumentar la seguridad activa en lo que a iluminación se refiere se han implementado en algunos vehículos sistemas de luces activos los cuales se detallan a continuación. 1.4.1. Regulación automática del alcance luminoso “Para evitar la posibilidad de deslumbrar a los conductores que circulan en sentido contrario, la legislación obliga a que los vehículos con faros de descarga de gas dispongan de un sistema regulador automático de alcance luminoso como se muestra en la Figura 1.29. El perfeccionamiento de este sistema dinámico de reglaje se debe a la presencia de sensores situados en los ejes delantero y trasero, los cuales trasmiten la información sobre la situación de la suspensión del vehículo. Los datos recibidos son tratados electrónicamente y transmitidos a los accionadores situados detrás de los proyectores de Xenón.” 14 El tiempo de reacción se lo mide en milésimas de segundo con lo cual la posición del haz de luz es ajustada casi instantáneamente, con lo cual el haz luminoso emitido no deslumbra a los conductores que circulan en sentido contrario.
Figura 1.29: Funcionamiento de la regulación automática del alcance luminoso Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009
De presentarse alguna avería eléctrica en la regulación automática del alcance del haz luminoso, los servomotores del sistema desplazan automáticamente el enfoque del haz
14
Dani meganeboy, Op. Cit.
31
de luz de los faros a su posición más baja. De esta manera, el conductor se percata de la avería. 1.4.2. Luces activas en curva El tema de la iluminación en el automóvil, tiene gran importancia en la seguridad activa ya que si los faros están mal regulados o tienen una iluminación defectuosa, puede ser muy peligroso en la conducción nocturna, cuando hay gran densidad de circulación, a gran velocidad o cuando los agentes climatológicos son adversos por esto los diseñadores están lanzando al mercado un nuevo sistema revolucionario de luces activas. “El sistema de iluminación orientable o también denominado por sus siglas AFS (Advanced Frontlighting System) “sistema avanzado de iluminación frontal” está suponiendo un paso adelante en materia de conducción nocturna. Esta nueva técnica consiste en iluminar allá donde gira el volante. Por ejemplo cuando el conductor está dando una curva cerrada y todavía no la ha tomado (aunque está girando el volante para hacerlo), en vez de iluminar las luces hacia adelante, ya están iluminando el tramo de curva que todavía no ha realizado.” 15 Los faros adaptativos que iluminan en función de la conducción hacen que los faros sigan los movimientos direccionales del vehículo, mejorando notablemente la iluminación en curvas. De este modo, el conductor puede reconocer el trazado de la curva y detectar posibles obstáculos con mayor rapidez. La luz de giro integrada en los faros mejora notablemente la iluminación de la calzada, por ejemplo al doblar en un cruce, al tomar una curva cerrada o al aparcar. En la actualidad, la marca MERCEDEZ BENZ ha desarrollado en sus vehículos de la clase M, faros de bi-xenón con luces activas y luz de giro, desarrollando viajes 32
nocturnos más seguros. El resultado es una mejora de la iluminación en curvas de hasta un 90% como se muestra en la Figura 1.30.
Figura 1.30: Sistema de iluminación orientable Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, Seguridad activa y pasiva en el automóvil, 2006
A lo largo de todo este capítulo hemos venido hablando de la evolución que ha tenido el sistema de iluminación hasta el día de hoy. Por lo cual hemos visto conveniente desarrollar un sistema de luces activas que serian de gran ayuda a los conductores de nuestro país pues por la situación geográfica del Ecuador, la conducción se hace muy difícil ya sea por las condiciones meteorológicas o por los accidentes geográficos que obligan a realizar curvas muy pronunciadas en las carreteras. En los capítulos siguientes se describirá el diseño y construcción de este sistema el cual se podrá utilizar en la mayoría de los actuales vehículos.
33