Oświetlenie w motocyklach. Jak to działa?

Pierwszym sposobem na bezpieczny powrót motocyklem do domu, gdy na początku XX wieku rozpoczynała się era motocyklizmu, była lampa acetylenowa, montowana z przodu maszyny. Spalający się w niej gaz brał się z karbidu skraplanego wodą. Płomień emitował jasne, biało-niebieskie światło. Niektóre lampy były wyposażone w ruchome lustro, którym można było ustawiać strumień światła, czyli „przełączać” światła „mijania” i „drogowe”.

Prąd lepszy od gazu

Wraz z miniaturyzacją żarówek, przyszłość karbidówki zdecydowanie nie okazała się świetlana. Gdy w 1915 roku Indian zaczął stosować elektryczny reflektor, związek jednośladów i karbidu zaczął się rozpadać. Z żarówkami pojawiły się pierwsze odbłyśniki, pozwalające lepiej kierować strumieniem światła z żarówki. Technologię tę od połowy lat 20. łączono z najnowszym wynalazkiem firmy Osram, czyli żarówką z dwoma wolframowymi żarnikami. Dzięki temu, bez potrzeby montowania ruchomego odbłyśnika czy drugiej żarówki, obsługiwane były światła mijania i drogowe (tzw. krótkie i długie).

Gdy efektywność reflektora była już całkiem niezła, pojawił się problem oślepiania kierowców jadących z naprzeciwka. Rozwiązaniem okazał się klosz z ryflowanego szkła. Ryflowanie to nic innego, jak pryzmaty rozbijające strumień światła na segmenty. Dzięki temu wiązka promieni mogła być kierowana tam, gdzie potrzeba – nisko i możliwie daleko, by kierowca w mroku widział jak najwięcej. Przy tym jednak nastąpił podział na pojazdy przystosowane do ruchu prawo- i lewostronnego stosownie do charakteru asymetrii reflektora.

Zbawienne halogeny

Kolejny przeskok w motocyklowym oświetleniu nastąpił dopiero w latach 60. Przede wszystkim producenci zaczęli przechodzić z instalacji 6V na 12V, co otworzyło drzwi mocniejszym żarówkom. Wciąż jednak pozostawał problem ich niskiej trwałości. Próżnia wewnątrz szklanej bańki chroniła co prawda przed przepaleniem żarnika, ale rozżarzony wolfram szybko odparowywał, osadzając się na bańce, a potem po prostu pękał.

Rozwiązaniem okazała się żarówka halogenowa. Po raz pierwszy pojawiła się w BMW R90 w 1972 roku. Wolframowy żarnik pozostał na swoim miejscu, ale bańkę wykonano z trwalszego szkła kwarcowego (wcześniej sodowego) i wypełniono ją gazem obojętnym (np. azotem) oraz gazem z grupy halogenów – najczęściej jodem. Ta zmiana nie tylko radykalnie wydłużyła trwałość takich lamp, ale pozwoliła podnieść temperaturę żarnika, temperaturę barwową (bliższą światłu dziennemu), a to oznaczało lepszą skuteczność w radzeniu sobie z mrokiem.

Powstało wiele generacji żarówek halogenowych. W motocyklach najczęściej spotykane są H4 i H7. Pierwsza z nich jest dwużarnikowa i odpowiada za światła mijania i drogowe, natomiast druga, nowsza, jest jednożarnikowa, ale emituje mocniejszy strumień świetlny (nawet o ok. 500 lumenów, czyli ok. 50%) przy mniejszym poborze prądu.

To wciąż za mało

Żarówka halogenowa przez ponad 30 lat zdawała się być niezastąpiona w motocyklach. BMW miało jednak odmienne zdanie. W 2011 roku w swoich flagowych krążownikach serii K 1600 zastosowało ksenonowe lampy wyładowcze.

W „ksenonach” światło nie jest emitowane przez rozgrzewanie żarnika, tylko w wyniku wyładowań elektrycznych między dwiema elektrodami umieszczonymi w szklanej bańce wypełnionej ksenonem. Powstały łuk elektryczny ma znacznie wyższą temperaturę barwową (od ok. 4300 – 4500 Kelwinów do nawet 6000 Kelwinów, czyli ma barwę zbliżoną do światła dziennego), co bardzo ułatwia naszym oczom wyłapywanie konturów różnych obiektów w mroku. Wyższa jest także trwałość lamp: 1500 zamiast 250 godzin. Ponadto lampa ksenonowa wytwarza aż 3200 lumenów (lm – jednostka miary strumienia świetlnego) przy mocy 35W, podczas gdy dobra żarówka H7 ok. 1600 lm przy 55W!

Suche dane mogłyby świadczyć, że ksenony to niemal doskonałe źródło światła. Są jednak utrapieniem dla konstruktorów. Do wytworzenia łuku potrzeba przynajmniej 18 000 V chwilowego napięcia, osiągającego następnie stałą wartość 85V. W tym celu konieczne jest stosowanie wysokiej jakości przetwornic, co komplikuje konstrukcję i zwiększa koszty. Poza tym lampy ksenonowe potrzebują kilku sekund na osiągnięcie pełnej sprawności i w motocyklach, z uwagi na problem z odpowiednim poziomowaniem wiązki, nie sprawdziłyby się jako drogowe.

Największym problemem ksenonów w motocyklu jest wspomniane już poziomowanie (o wiele łatwiejsze do realizacji w autach). W BMW K 1600 zamontowano system który sprawia, że oświetlenie flagowej „beemki” jest najbardziej skomplikowanym w świecie motocykli. Odbłyśnik ma formę lustra zawieszonego na żyroskopie. W zależności od położenia motocykla, zmienia swój kąt względem wiązki światła. Informacje o przechyłach motocykla dostarczane są przez czujnik IMU (odczytujący także przechyły boczne). W K 1600 reflektory dostosowują swoje położenie do kąta złożenia, dzięki czemu nawet w ostrych zakrętach droga jest oświetlana jak podczas jazdy na wprost. Nie jest to miły gest BMW, tylko wymóg homologacyjny dla reflektorów ksenonowych.

Rozwiązanie przyjęte przez BMW jest z pewnością jednym z najlepszych na rynku. Niestety, ma też minusy, do których zalicza się wysoka cena (ok. 600 zł) za ewentualną wymianę lampy. Z tego względu można przypuszczać, że mariaż ksenonów z motocyklami zaczął i zapewne skończy się na BMW K 1600GTL.

LED-owa rewolucja

Rynek zawojowały już diody luminescencyjne (LED – Light Emiting Diod). Kuszą niewielkimi rozmiarami, niskim poborem prądu i nawet sześciokrotnie większą sprawnością świetlną niż tradycyjnych halogenów! Czas ich reakcji jest znacznie krótszy, a odporność na wibracje większa niż ksenonów, tak samo jak trwałość, która wynosi 10 000 godzin (przy czym potem diody stracą jedynie 30% swojej skuteczności).

Pogodzone zostały także obszary funkcji i formy. Lampy LED-owe to zazwyczaj kilka, kilkanaście połączonych w zespół diod. Pozwala to na sporą dowolność w formowaniu kształtu reflektora, a dzięki możliwości regulacji barwy w niektórych diodach (tzw. Led RGB) i natężenia światła, światła pozycyjne, stopu i kierunkowskazy mogą stanowić jeden element.

Diody emitują światło nie poprzez rozgrzewanie czy łuk elektryczny, ale poprzez luminescencję. To złożone zjawisko, które odbywa się na poziomie elektronów. Jest wynikiem ich „przeskakiwania” z wyższego poziomu energetycznego na niższy w półprzewodnikach luminescencyjnych. Elektron oddaje przy tym część energii pod postacią światła.

LED-y na początku opanowały oświetlenie tylne i kierunkowskazy. Na debiut w światłach mijania i drogowych trzeba było trochę poczekać. Przeszkodą były przede wszystkim koszty. Ponadto diodowe źródła światła są bardzo wrażliwe na przepięcia i wysoką temperaturę. Diody wprawdzie nie grzeją się tak, jak żarówki, ale ze względu na swą wrażliwość termiczną potrzebują dobrego chłodzenia – radiatorów lub wentylatorów.

W zastosowaniu nowoczesnego źródła światła znów BMW wysunęło się na czoło. W 2012 roku pojawił się model R 1200GS z pierwszym, seryjnym, w pełni LED-owym reflektorem przednim. Jego barwa świetlna – 5000-6000K, zbliżona do światła dziennego – pozwala znacznie lepiej widzieć, co znajduje się na drodze.

Nie moc, a jakość

LED-y okazały się też przydatne jako element lamp doświetlających zakręty. Reflektory, w szczególności turystycznych motocykli, szybko zaczęły być wyposażane w takie systemy. Dzięki szybkiej reakcji diod po bokach reflektorów dodatkowe pasma świetlne, w zależności od złożenia motocykla (rozpoznawanego przez czujnik IMU) zapalały się odpowiednio, doświetlając wewnętrzną stronę zakrętu.

W odróżnieniu od ksenonów, na rynku są dostępne homologowane reflektory LED-owe z systemem doświetlania zakrętów, które można zaadaptować do starszych motocykli. Robi je np. firma J.W Speakers, która nb. dostarcza lampy dla Triumpha. Światła LED nie potrzebują systemów samopoziomujących. Generują one o ok. 1000-1200 lumenów mniej od ksenonów, więc dobrze ustawione nie oślepiają innych użytkowników drogi. Czy są przez to gorsze? Oczywiście, że nie! Strumień światła diod jest bardzo wąski, a to oznacza możliwość niemal maksymalnego wykorzystania każdego załamania odbłyśnika.

Sztuka świetlna

Skuteczne źródło światła to w reflektorze połowa sukcesu. Trzeba nim jeszcze odpowiednio pokierować. Na początku był odbłyśnik paraboliczny i ryflowane szkło. Dziś są na zasłużonej emeryturze.

W połowie lat 90. eksperymentowano z soczewkami – tzw. reflektorami DE. Światło nadal było odbijane od odbłyśnika, ale dodatkowo rozpraszała je soczewka, podobnie jak w projektorach. Efektem było oświetlenie większego obszaru bez oślepiania innych uczestników ruchu. Rozwiązanie to dopracowywano i trzeba przyznać, że jest skuteczne, choć z początku było dosyć drogie i ciężkie.

W dobie coraz mocniejszych komputerów, konkurencja znalazła się dosyć szybko. Już na początku XXI wieku powstawały pierwsze reflektory w technologii swobodnych pól (FF). Dzięki zaawansowanym obliczeniom można było ukształtować powierzchnię odbłyśnika z wielu załamań, które dzieliły strumień światła na segmenty. Udało się też obniżyć masę reflektora, zastępując szkło poliwęglanem.

W niektórych motocyklach lampy były połączeniem technologii DE i FF. Dziś w głównej mierze stosuje się jedynie coraz skuteczniejsze reflektory FF, które pozwalają precyzyjnie wykorzystać wąski strumień światła emitowanego przez diody. Soczewki stosuje się już właściwie jedynie w oświetleniu przeciwmgielnym i w motocyklach sportowych.

Co nas czeka?

Rozwój reflektorów LED może nie przypaść do gustu fanom klasycznego wzornictwa, ale trudno ukryć, że to najskuteczniejszy sposób na przełamanie ciemności. Czego jeszcze możemy się spodziewać? Potencjalną nowością mogą być światła matrycowe, które dzięki informacjom z radarów/kamer są w stanie wygaszać i rozświetlać poszczególne segmenty LED-owego emitera tak, żeby światło nie oślepiało jadących z naprzeciwka, pieszych i nie odbijało się zbyt mocno od znaków drogowych.

Drugą nowinką są światła laserowe, w których źródłem światła jest również rodzaj diody LED, z tym, że emitującej skupioną i mocną wiązkę promieni. To oczywiście na razie gdybanie, oparte na tym, co już funkcjonuje w świecie samochodów. Doświadczenie pokazuje jednak, że nawet najmocniejsze źródło światła zda się na nic, jeśli cały reflektor nie będzie dopracowaną i przemyślaną konstrukcją!