L'éclairage automobile

21/10/2017
Auteurs : Pierre Albou
Publication REE REE 2005-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-3:20557
DOI :

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L'éclairage automobile

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Repè es L'ECLAIRAGE (2 " " PARTIE L'éclairage autom obile Par Pierre ALBOU VALEO Mots clés Projecteur, Éclairage, Alimentation électrique, Convertisseur, Calculateur, Bus, Moteur, Diode électroluminescente, Lampeà décharge 1. Introduction L'éclairage automobile présente un certain nombre de traits qui le différencient de l'éclairage général', comme CI tD de l'éclairage utilisé dans le cadre d'autres moyens de transport (navires, trains, avions). L'éclairage automobile est traditionnellement divisé en deux grands domaines : l'éclairage intérieur et l'éclairage extérieur. Le premier ne concerne que des luminaires placés dans l'habitacle du véhicule, aux fonctions très diverses. Nous ne l'aborderons pas en détail dans cet article. Bien qu'il ait des caractéristiques particulières (dont certaines communes avec l'éclairage extérieur), il peut souvent être rapproché de l'éclairage domestique (par exemple : plafonnier, éclairage de boîte à gants ou de malle), avec un changement d'échelle et de niveau d'exigence (caractéristiques photométriques, résistance à l'environnement). L'éclairage extérieur peut être divisé en quatre domaines, suivant deux critères : la position du feu' (avant ou arrière du véhicule) et sa fonction principale vis-à-vis du conducteur (voir ou être vu). On obtient ainsi les catégoiies suivantes : Voir Être vu Avant feux de croisement, feux de route, feux anti-brouillard, fonctions AFS 3 feu de position indicateur de direction DRL 4 Arrière feu de recul feu de position feu de stop indicateur de direction feu de brouillard feu de recul On notera que le feu de recul participe de deux fonctions (être vu, sa fonction réglementaire ; voir, une fonction réclamée aujourd'hui par les constructeurs pour leurs véhicules haut de gamme). Les indicateurs de position latéraux et les feux des 1 rétroviseurs extérieurs peuvent être joints aux feux arrière en raison de leurs caractéristiques techniques (ils sont développés chez Valeo dans une même division). Ge ; ieéil Li,,Iilili,,dansla dénominationanlo-saxonne(éclairagepublic, industrielet domestique). Dénominationlégaledesappareil couramment nommés« feux » et « phares »ou appelés, un peupluscorrectement, « feux » (arrière)et « projecteurs». j AhS : Adrcnued Fnontlightin, ; Sy.rtcms, future réglementation européenneautorisant de nouvellesfonctionsdanslesprojecteurs(à l'horizon 2005)et dontnous reparlcronspar la suite. DRL : D(i,-tiiiie Riiiiiiiii Li,lil ou,l,ii de joiii,unefonctionactuellementautorisée,autrefoisobligatoiredanscertainspays(parexemplescandinaves), objetd'une réglementationeuropéenne et d'unprojetvisantà la rendreobligatoire.Elle doit êtrealluméedejour lorsquele véhiculefonctionne.L'alternative(recommandée actuellementen France)consisteà allumerlescodesdèsquele véhiculecircule : outreunesurconsommation d'énergie(DRL possibleà moinsde20W contredes codesnécessitant 80 à 120W,suivantleur technologie),cettemesureimplique,dansla viedu véhicule,unetrèsimportanteaugmentationdu nombredeschange- mentsde Jampes halogènes et plusieurschangements de fampcs à décharges, autrementévitables(avecdescoûtsconsidérables pour le propriétaire,deplusieurs centainesd'eurosàchaquechangement dansle casdeslampesà arc). L'ESSENTIEL L'éclairage automobile fait depuis plusieurs années massivement appel à l'électronique. En sus de divers dispositifs de commande automatique, qui ne sont pas toujours intégrés aux projecteurs, on trouve désormais dans ces derniers, non seulement des convertisseurs statiques (plus ou moins complexes -très com- plexes dans le cas des lampes au xénon), mais aussi des action- neurs munis de leurs commandes et de leurs alimentations. A terme, les projecteurs devront mettre en oeuvre un bus interne et le système de gestion adapté, afin de maîtriser leul'complexité électrique croissante. YNOPSIS Automotive exterior lighting has been heavily using electronic devices for many years. ln addition to various automatic control units, which are not systematically embedded in the headlamps, one can now find there many electronic power supplies and converters (some of them very complex like discharge bulbs swit- ching-mode power supplies) together with several motors and their drivers. In the near future, headlamps will use an internai data and power bus and the proper control unit in order to control their increasing complexity. 74 REE N,,i Mars2005 L'éclairage automobile 2. Caractéristiques propres à l'éclairage automobile Les caractéristiques propres à l'éclairage automobile résultent de deux facteurs principaux : l'environnement des luminaires dû au véhicule et la réglementation. L'environnement est décrit'par les cahiers des charges des appareils, documents élaborés par les constructeurs ou compilés par les équipementiers (Valeo dispose par exemple d'un cahier des charges interne pour les projecteurs, enveloppe supérieure des exigences de plusieurs de ses clients). Etant liées à l'appareil considéré, ces contraintes diffèrent essentiellement entre feux avant et feux arrière. En revanche la réglementation diffère fondamentalement entre les fonctions de signalisation (être vu) et les fonctions d'éclairage (voir). On retrouve ainsi les quatre catégories évoquées en introduction. 2.1 Contraintes d'environnement Principales contraintes dues à l'environnement dans lequel est placé le feu, du point de vue de l'électrotechnicien ou de l'électronicien : 1. Les caractéristiques du réseauélectrique (voir plus loin). 2. Les perturbations électromagnétiques (très fortes dues à l'allumage par exemple). 3. La température (elle dépasse couramment 100 à 1100 C dans un projecteur, dont tous les systèmes doivent fonctionner à - 40'C, température réelle lors d'un démarrage en hiver dans les pays du Nord). 4. L'humidité (elle pénètre dans les feux en raison de l'existence de communications avec l'air extérieur, indispensables pour éviter une déformation des boitiers)'. 5. Les vibrations (très importantes sur les poids lourds). Les quatre dernières contraintes sont partagées avec tous les systèmes d'éclairage embarqués ; seuls les niveaux de résistance exigés sont différents. Ils sont plutôt moins élevés dans l'automobile'que pour d'autres moyens de transport (ferroviaires ou aériens). Néanmoins, combinées avec l'obligation d'une production à des coûts très réduits, ces contraintes influent sur le choix de certains principes et évidemment sur les conceptions détaillées (choix des com- posants, des circuits imprimés des procédés d'assemblage, des types de boîtiers, des actionneurs, etc.). Les caractéristiques de l'alimentation électrique du véhicule constituent la contrainte la plus spécifique à l'automobile. Pour des raisons historiques (disponibilité de la machine - une génératrice - et possibilité de stockage de l'énergie - dans des batteries), l'alimentation des automo- biles se fait en courant continu à faible tension (autrefois 6 V, actuellement 12 V (24 V pour les poids lourds), bientôt 42 V). Ni le remplacement de la génératrice par un alter- nateur, ni la disponibilité de convertisseurs statiques fiables et (relativement) peu coûteux, ni l'augmentation des puissances électriques consommées (plusieurs kW aujourd'hui sur un véhicule haut de gamme) n'ont changé tD le cet état de fait. La conséquence en est qu'au lieu d'un réseau de bord alternatif de tension raisonnable (comme dans les avions, par exemple), permettant de limiter les courants et la masse des conducteurs (et autorisant, à l'occasion, l'emploi de transformateurs pour changer de tension), on doit utiliser une tension « continue », com- prise entre 5 V (lorsque le démarreur tourne) et 16 V (moteur à haut régime, batterie endommagée), potentiel- lement très parasitée (locid dtiiiip'à 60 V pendant des dizaines de ms par exemple), délivrée par une source de résistance interne assez élevée, les constructeurs minimi- sant les sections des câbles et le coût des contacts. Ces conditions d'alimentation, peu gênantes, voire favorables (faible tension), pour les projecteurs tradition- nels (l'ensemble des produits commercialisés il y a seu- lement vingt ans), systèmes simples quand bien même leurs optiques sont complexes, sont en revanche forte- ment pénalisantes pour les feux et projecteurs modernes, et imposent souvent le recours à des solutions électro- niques élaborées, comme on le verra plus loin. 2.2. Contraintes réglementaires En susdes règlements s'appliquant à tous les équipements embarqués (matières interdites, marquages obligatoires, rayons de courbure minimaux pour les pièces apparentes, normes CEM, rigidité diélectrique, etc.), l'éclairage auto- mobile est soumis à une réglementation spécifique qui contraint la conception des appareils sur trois plans : leur structure et les fonctions qu'ils assurent, les performances photométriques de ces fonctions et les sources lumi- neuses qui peuvent être utilisées pour les réaliser. 2.3. Photométrie et colorimétrie Les règlements photométriques conditionnent la conception des optiques. Ils décrivent les faisceaux que doivent réaliser les feux, et les valeurs minimales et maximales qu'ils doivent assurer en certains points ou dans certaines zones jugées critiques. Cesdescriptions sonten général proches dupirecasetassez éloignées desconditions usuelles. Quiserait provoquée parladilatation d'unairintérieur confiné, lorsdesonpassage de- 40à+ 100'C Lespoids lourds oulesvéhicules militaires pouvant faireexception. Picsdetension dusàl'interruption decourants circulant dans desinductances lorsdedéconnexionsaccidentelles. Lesappareils embarqués doivent yrésister REE Nu 3 Mars 2005 . Repères) L'ÉCLAIRAGE (2'mE PARTIE) itl-Im $ (-$R f i ! t -41 .t 5t 'l q 1 il, #'* ,& lqw M -t-f f 0-13R iu> -IR Points de iiiesitt-e dit règleiiient 17-2 Lou, Beaiii (USA). 2F> ;, sBneIII zone ID ; -...) ,-, 114 r,) k zone 1 Points de mesure du règlement RI 12 (Europe, feux de croisement à lampes halogènes). Les points « de portée » (directions dans lesqbielles l'intensité doit être rendue la plus élevée possible), par exemple, sont nommés 1.5D - 2R (USA) et 75R (Europe). Leurs positions sont respectivement.- 1, 5'sous l'horizontale et 20 à droite du plan vertical coiiteiiai ? t l'axe optiqtte (1,5D - 2R) et 1 % en dessous de l'horizontale et 2 % à droite (75R). Les valeurs en pourcentages sleiiteiitleit.tir nu écran de mesure perpendiculaire à l'axe ojtiqtie, relativement a la distance de cet écran à l'appareil testé. Les niveaux exigés sont.- 1.5D - 2R : 15000 cd, 75R : 121x (= 7500 cd, cri négligeant le cos'). Les projecteurs (fonction voir) sont caractérisés par des faisceaux à « coupure », c'est-à-dire présentant une ligne de contraste, de forme plus ou moins complexe séparant une zone supérieure où les niveaux doivent être faibles afin d'éviter d'éblouir les autres conducteurs, et une zone inférieure où les niveaux doivent être élevés pour assurer une bonne visibilité. Suivant les régions (Europe, USA, Japon'), la forme de cette ligne, les valeurs à assurer, les points et les zones critiques, les moyens de mesure normalisés et les unités employées diffèrent. Par exemple, les réglementations européennes donnent des valeurs d'éclairement (en lux) à atteindre ou à ne pas dépasser, mesurées sur un écran plan à 25 m, alors que les règlements des Etats-Unis donnent des valeurs d'intensités (en cd)'°. Les points « de portée » (directions dans lesquelles l'intensité doit être rendue la plus élevée possible), par exemple, sont nommés 1.5D - 2R (USA) et 75R (Europe). Leurs positions sont respectivement : I,So sous l'horizontale et 2° à droite du plan vertical conte- nant l'axe optique (1,51) - 2R) et 1 % en dessous de l'horizontale et 2 % à droite (75R). Les valeurs en pour- centages s'entendent sur un écran de mesure perpen- diculaire à l'axe optique, relativement à la distance de cet écran à l'appareil testé. Les niveaux exigés sont : 1.5D - 2R : 15000 cd, 75R : 121x (= 7500 cd, en négli- geant le cos). Les feux de signalisation sont caractérisés par des matrices de points où sont mesurées des intensités. Il n'y a pas de ligne de coupure obligatoire, bien que certaines grilles soient dissymétriques (feu de recul, feu stop surélevé "). Les mesures sont effectuées à 10 m. Tous les feux doivent par ailleurs engendrer un faisceau d'une couleur donnée caractérisée par une zone autorisée dans le plan (x,y) de l'espace colorimétrique du CIE. 9 Les paysdesautres régions du monde serattachent, lorsqu'ils ontune réglementation, à un de cestrois systèmes 10 Si on supposeque ladistance de J'écran de mesure à l'appareil esttrès grandeparrapport aux dimensions des surfaces éclairantes (engénéral 25 m esttrès grand devantlesdimensions d'unprojecteur !), il estévidemment possible (et simple) de passer d'unsystèmeà l'autre. 1 1 - - II 30... feude stop(central). REE No 3 Mars2005 L'éclairage automobile 800EXt 200 100 50 51 Io* 200 45*ln 150H 0.7 0,7 0,7 50 50 50 25 50 175 su 25 (r 0,7 87,5 225 250 1 i 225 87,5 0,7 t0° _,,,_, ___ 50 ,_,,L... .50...... :....._...... 5" 2 50' "'-.'/JL.J 75 _ -.._, 50'25 " " " " "' ""'__ ' "-- :''j ! '. Ljjr "!"!! 25 50 175 50 25 100 50 10° 50 50 150B 0,7 0,7 0,-7 50. 50 ._._. 7..... Intensités miniinales (cd) polir nu indicateur de direction avant catégorie la (règlenieiit R6). o'-.. ---..... -.-. ---.-.- ---.-..-.. -.-.--.---. - -.--... 520 Inrn , ;, nm reenïsh , 57Ù rrn Yellow Uow 0,4.... orange Wh Pink oran e O2 Orange 1 r--J.,'''t1. ,. ,. iltr _ ° -We rsr, Qrng 400 : m. 64bnm 9t ra·n QIsh.. h' ".''''' #n Purplish blue 470 ny " 460 rim Bitiish _ > ;,. Orang Jdüt? 470 nm '.,'F ;fCllS _ .t6 sn ; : t : t » Y B3llà = iurPle - 7 " J , ;, reenïsh ,Yeq>wis , 0. Iloâà 91 elon 57Ù rrn Yellow .......... 0. 5 Oran e s°- s r,m oran J 0,4........... titi nn Wh tt, - oera'Inge oran e rpM O2 Orange 4 S'l #nk Purplish blue 470 ny " is Orange Biuish Purple _ > ;,. Orang b1ue 4700 Reddis Jdüt? 470 nm '.,'F ;fCllS _ .t6 sn : : t : gt » Y B3llàSt = pUrPle ; 0 0.1 0,2 0.3 O4 0.5 O6 0,7 0.8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X Exemple : définition du « blanc » en éclairage automobile. Dans les documents officiels, cette zone est définie comme suit limite vers le bleu : x >= 0,310 limite vers le vert : y <= 0,150 + 0,640x, y <= 0,440 lirnite vers lejaiine : x <= 0,500 limite vers le rouge : y >= 0,382 limite vers le potirpre : y > = 0, 050 + 0,750x REE No 3 Mars 2005 . RePères) 1 L'ÉCLAIRAGE 2'm'PARTI-E) o 60 oy, 50% -25% 0 60 o,, ____________ \. - " 'TT- - " ___-_____ _________ _________ _________ _________)__________!__________) -180% __________j_________ _________ _________ _________ r-_n 1 1 5 I I I tso% I I E-iceiiil) de,faisceau code (Europe, trafic à droite). (jiestii-t siti- éci-aii à 25 111, iïiveabi-v ('oiiieiitioiînels,.foriiiaiit tine série géoiiiétriqtie de -,iisoi7 2) Le faisceéiii ci-dessits a été obteiiii avec iiii projecteiir de hpe elliptiqlie à laiiipe litilogèiie. La iiiesli-e, coliforiléilielit à la iioi-iiie, a étéfaite avec iiii (il) pai-eil ii ; iiqiie, les pi-ojec-teti-s tles côtés géitiche et di-oit devaiit être hoiiiologités séptii-éiiieiit " (ici les iîioditles droit et géiii-lie soiit ideiitiqiies). CI p U 8 WH TE n m o