Halogen – Xenon – LED – Laser: Cuộc chiến của các loại đèn pha

Trong khi các mẫu xe mới không ngừng được cải thiện về kiểu dáng và các tính năng công nghệ thì có một chi tiết cũng quan trọng không kém: đèn pha. Dưới đây là 4 loại đèn pha đang thịnh hành hiện nay, mỗi loại trong số đó đều sở hữu vẻ đẹp và những ưu điểm riêng. 

Chiếm vai trò quan trọng nhưng rất ít người biết được quá trình hình thành và phát triển của đèn pha ôtô, từ đèn axetylen đơn giản giai đoạn 1880 tới hệ thống đèn LED phức tạp ngày nay. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm kiếm ý tưởng mới để đèn pha của mình đánh bật các đối thủ khác trên thị trường. Hãy cùng phân tích đặc trưng của 4 loại đèn pha cơ bản.

1. Đèn pha Halogen:

Là kiểu đèn pha phổ biến nhất hiện nay nhờ bóng đèn halogen untouched có ưu điểm rẻ và đơn giản. Về cơ bản, bóng đèn halogen có tuổi thọ khoảng 1.000 giờ trong điều kiện bình thường, chi phí thay mới thấp so với các loại đèn khác. Tuy nhiên, ngày càng nhiều hãng xe không ưu tiên sử dụng loại đèn pha này bởi hiệu suất mà nó đem lại không cao. Để hiểu được rõ hơn, hãy tìm hiểu cơ chế hoạt động của bóng đèn halogen untouched.

Bóng đèn halogen untouched

Bóng đèn halogen có vỏ bằng thủy tinh, cho khả năng cách nhiệt cao và được cấu tạo bởi hợp chất khí agon – nitơ và dây tóc vonfram. Để phát sáng, dây tóc vonfram thu điện từ ắc quy xe, làm nóng tới 2.500⁰C, sau đó bắt đầu quá trình phát sáng (quá trình đốt cháy).

Tuổi thọ bóng đèn halogen kết thúc khi vonfram bốc hơi và để lại mỗi dây tóc, đọng lại trên vỏ thủy tinh và sau đó dây tóc bị gãy tại một điểm nào đó, trở nên vô tác dụng.

Đèn pha halogen trên mẫu xe Citroen C3 

Đèn pha halogen của Kia Soul

Đèn pha halogen của mẫu Dacia Sandero Stepway

Tuy nhiên vấn đề lớn nhất đó là trong khi phát sáng, bóng đèn halogen cũng tạo ra nguồn nhiệt vô cùng lớn và làm lãng phí năng lượng. Một vấn đề nữa là cơ chế phản ứng của bóng halogen với các chất khác nhau. Chẳng hạn như, khi thay bóng bị hỏng, bạn bắt buộc không được chạm vào vỏ thủy tinh của bóng mới. Dầu mỡ trên ngón tay sẽ dính vào thủy tinh thạch anh, khiến nó làm nóng không đều và giảm tuổi thọ bóng đèn. Do đó khi đã lỡ chạm tay, hãy lập tức lau bằng vải sạch và sử dụng cồn để chà mạnh vệt dầu mỡ bám.

Tuy vậy, không thể phủ nhận bóng đèn halogen có nhiều ưu điểm nổi trội khiến nhiều hãng sản xuất vẫn ưu ái lựa chọn khi thiết kế đèn pha: tỏa sáng đều, giá thành rẻ, nhiều kích thước và do vậy phù hợp với nhiều dòng xe. Bên cạnh đó, bóng đèn halogen có khả năng điều chỉnh cường độ sáng, cho phép nhà sản xuất thiết kế vô số phiên bản đèn pha với khung thân và kích thước khác nhau.

Như vậy, có thể thấy ưu và nhược điểm của bóng đèn halogen như sau:

Ưu điểm:

* dễ thay mới

* cấu tạo đơn giản

* kích thước phong phú

* giá thành rẻ

Nhược điểm:

* tốn năng lượng

* đòi hỏi đặc biệt lưu ý khi thao tác và bảo dưỡng

2. Đèn pha HID (Xenon):

Đèn pha xenon có tên gọi chính thức là đèn pha phóng điện cường độ cao (HID), được xem là giải pháp khả thi hơn so với đèn Halogen nhờ nhiệt độ màu và lượng ánh sáng tạo ra. Đèn pha xenon đầu tiên xuất hiện trên mẫu BMW 7 Series vào năm 1991 và dần trở thành sự lựa chọn số một của nhiều hãng ôtô.

Nguyên tắc hoạt động của đèn HID về cơ bản giống bóng đèn neon. Bạn sẽ có một bóng đèn kín chứa đầy khí và điện cực ở mỗi đầu, và một dòng điện chạy ngang qua. Đèn pha HID trên xe ôtô có cấu tạo gồm vỏ trong suốt bằng thạch anh, điện cực vonfram và hỗn hợp khí được thúc đẩy nhờ dòng điện cao thế chạy giữa hai điện cực.

Bóng đèn xenon

Đèn pha HID thực chất sử dụng hỗn hợp kim loại – halide (hợp chất gồm halogen và một nguyên tố hoặc gốc khác) và chỉ dựa vào khí xenon trong thời gian khởi động. Một trong những vấn đề chính của đèn HID là thời gian cần để hỗn hợp khí bên trong đạt tới nhiệt độ hoạt động và tỏa ánh sáng cường độ mạnh.

Quá trình thắp sáng đèn HID gồm 3 bước: Đầu tiên là giai đoạn đánh lửa: một xung điện cao thế tạo ra tia lửa có tác dụng ion hóa khí xenon và sinh ra luồng điện giữa hai đầu điện cực. Tiếp đó, nhiệt độ trong bóng đèn tăng nhanh và làm bay hơi muối kim loại, giảm điện trở giữa hai điện cực. Cuối cùng, chấn lưu chuyển sang hoạt động liên tục, cung cấp công suất liên tục cho đèn để đảm bảo hồ quang điện không nhấp nháy.

Vậy đâu là ưu điểm của đèn pha HID so với đèn pha Halogen ? Thứ nhất, đèn pha xenon cho hiệu quả lớn hơn nhờ lượng ánh sáng tỏa ra nhiều hơn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chẳng hạn như giao thông ách tắc, đây có thể là một trở ngại lớn nếu góc chiếu sáng không được điều chỉnh phù hợp (phần lớn đó là khi bộ phụ tùng aftermarket kit bị lắp sai hoặc sử dụng vỏ đèn pha không dành cho đèn HID).

Theo thống kê chính thức, bóng đèn xenon sản sinh 3.000 lumen và 90 milicandela (mcd) (đơn vị đo cường độ sáng của đèn LED)/m2, trong khi đèn halogen chỉ sản sinh 1.400 lumen và 30 mcd/m2. Dần dà, đèn xenon được sản xuất với nhiều kích cỡ và phiên bản khác nhau, đặc biệt khi được trang bị cho nhiều dòng xe khác nhau.

Ngoài ra, bóng đèn xenon có tuổi thọ lớn hơn so với bóng đèn halogen. Theo ước tính, bóng đèn xenon có thể thắp sáng khoảng 2.000 giờ trong điều kiện bình thường.

Trên thực tế, bóng đèn xenon cần nhiều công suất hơn khi khởi động song khi đã đạt tới nhiệt độ tiêu chuẩn, sẽ tiêu tốn ít công suất hơn so với các bóng đèn thông thường. Điều này có nghĩa máy phát điện xoay chiều sẽ chịu lượng tải nhỏ hơn và không cần nhiều mô men xoắn động cơ để duy trì nhu cầu điện. Tuy nhiên, bạn hầu như không cảm nhận chênh lệch về mức tiêu thụ nhiên liệu khi xe lắp đèn pha HID hay đèn Halogen.

Đèn pha xenon của Infiniti FX 50S

 Đèn pha HID của Lexus RX 450h

Đèn pha xenon của Porsche Cayman S

Đâu là điểm bất lợi của đèn pha HID ? Có thể thấy rõ đèn pha dạng này có giá thành cao hơn đèn halogen (bao gồm chi phí bảo dưỡng) và có cấu tạo phức tạp hơn bởi cần tới thiết bị có tên gọi chấn lưu (về cơ bản, đó là tụ điện có chức năng tạo ra và điều chỉnh dòng điện cao thế để đèn HID hoạt động).

Ngoài ra, bóng đèn xenon cần nhiều thời gian hơn để đạt tới cường độ sáng mạnh nhất và không được đánh giá cao như dạng đèn chiếu xa riêng biệt. Một số xe hiện nay được trang bị đèn chiếu gần dạng HID và các bóng chiếu xa riêng. Trên những dòng xe cao cấp hơn, hệ thống đèn pha HID thực hiện đồng thời hai chức năng: chiếu gần và chiếu xa (mà nhiều người vẫn gọi nhầm là đèn bi-xenon), nhờ cơ chế sử dụng bóng cơ học trong gương phản xạ ôtô để thay đổi hướng chiếu sáng tương ứng.

Một số đèn pha xenon có thể gây hại tới sức khỏe của chúng ta bởi chúng có chứa các chất độc hại như thủy ngân kim loại. Tại một số quốc gia đã ban hành các quy định riêng nghiêm cấm sử dụng các chất này, song điều đó cũng đồng nghĩa với chi phí sản xuất và sửa chữa cao hơn.

Cuối cùng, lượng ánh sáng chói sinh ra từ đèn pha có thể gây phiền hà cho các lái xe khác trên đường, đặc biệt khi giao thông đông đúc, dẫn tới gia tăng tai nạn và tử vong, bên cạnh thực trạng vượt quá tốc độ và các vấn đề kỹ thuật.

Như vậy, có thể thấy ưu và nhược điểm của bóng đèn xenon như sau:

Ưu điểm:

* tuổi thọ cao hơn bóng halogen

* hiệu suất lớn hơn nhờ tiêu thụ điện năng ít hơn và tỏa sáng mạnh hơn

* cải thiện tầm nhìn lái xe một cách rõ rệt

Nhược điểm:

* chiếu sáng quá chói và gây ảnh hưởng giao thông trên đường

* chi phí cao

* hệ thống phức tạp hơn bóng đèn halogen

* có chứa những chất có hại cho cơ thể con người

* mất nhiều thời gian hơn để chiếu sáng mạnh nhất

3. Đèn pha LED:

Một giải pháp thứ ba trong công nghệ sản xuất đèn pha ôtô: sử dụng đèn LED. Dạng đèn này được trang bị trên các mẫu xe sản xuất hàng loạt song nó cũng có nhiều điểm hạn chế.

Bóng đèn LED

Nguyên lý làm việc của đèn pha LED tương đối phức tạp song có thể hình dung như sau: các electron âm chuyển động quanh các “lỗ” tích điện dương thông qua một chất bán dẫn. Khi một electron tự do rơi vào lỗ có mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng photon (phần nhỏ nhất của ánh sáng) trong một quá trình được gọi là điện phát.

Quá trình này được lặp lại hàng ngàn lần mỗi giây để tạo ra ánh sáng liên tục, phát ra từ điốt phát quang (LED) có chiều rộng 2 mm.

Đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống đèn pha LED: chúng cần rất ít công suất để hoạt động so với các bóng đèn halogen cổ điển. Đèn LED được bắt gặp trên các phiên bản Toyota Prius và hai phiên bản hybrid khác sử dụng động cơ điện. Mẫu xe sản xuất đầu tiên sử dụng đèn pha LED là Audi R8 2004.

Nhìn chung, đèn pha LED nằm ở giữa đèn halogen và đèn HID về độ phát quang, song cho ánh sáng tập trung hơn và cũng được thiết kế nhiều hình dáng khác nhau.

 Các thế hệ Audi hầu như được trang bị đèn LED ban ngày

Đèn pha full LED

Đèn pha với cụm đèn full LED

Song đèn LED cũng có một số điểm hạn chế. Không giống đèn pha halogen, đèn pha LED không tỏa nhiệt khi phát sáng, không sinh nhiệt dưới đáy bộ phát (chủ yếu là bộ chip) khi điện đi qua, bởi vậy gây rủi ro tiềm ẩn cho các chi tiết lắp ghép cạnh đó cũng như cáp kết nối. Đó là lý do tại sao đèn pha LED cần hệ thống làm mát giống như bộ tản nhiệt hoặc quạt để tránh hiện tượng tan chảy.

Và những hệ thống làm mát này được đặt tại khoang động cơ, nơi không đủ mát để hệ thống nào đó có thể duy trì nhiệt độ thích hợp. Đèn pha LED cũng “kén” xe và đắt hơn đèn xenon HID.

Đôi khi bạn tự hỏi vì sao đèn LED ban ngày hay đèn hậu LED sử dụng bộ tản nhiệt ? Đơn giản bởi chúng ta không dựa vào đó để xác định phương hướng vào ban đêm. Và do vậy chúng không cần công suất lớn như đèn pha.

Ưu và nhược điểm của đèn pha LED:

Ưu điểm:

* nhỏ gọn, hoạt động hiệu quả với nhiều hình dáng đa dạng

* tiêu thụ ít điện năng

* sáng hơn đèn pha halogen và chiếu sáng ấm hơn đèn HID

Nhược điểm:

* chi phí sản xuất cao

* tỏa nhiệt lớn ở những chi tiết liền kề

* thiết kế phức tạp và chịu nhiệt độ cao ở khoang động cơ

4. Đèn pha Laser:

Là chi tiết nổi bật trên các mẫu xe của BMW và Audi. Công nghệ mới này cho phép tăng hiệu quả gấp 1.000 lần so với đèn pha LED và có hình dáng nhỏ gọn hơn rất nhiều. Thực tế là các tia laser có thể gây nguy hiểm cho cơ thể và chỉ chiếu sáng trong phạm vi của một đồng xu. Vậy tại sao nhiều nhà sản xuất vẫn lựa chọn giải pháp này ?

Tương tự ví dụ đèn xenon ở trên, công nghệ mới tại đây sử dụng các tia laser như một phần của quá trình tạo ánh sáng. Khi sử dụng đèn chiếu xa, bạn sẽ không gặp phải hiện tượng hai chùm laser công suất cao với ống kính phía trước có thể “đốt cháy” mọi thứ trong tầm nhìn.

BMW giải thích, hệ thống của họ sử dụng 3 chùm laser màu xanh đặt phía sau bộ đèn pha, chiếu thẳng vào một cụm các gương nhỏ - những gương này tập trung năng lượng vào thấu kính có chứa khí phốt pho vàng.

Và chính chất này sẽ tạo ra ánh sáng trắng cực mạnh khi tiếp xúc với chùm tia laser, sau đó, ánh sáng này được phản chiếu hướng về phía trước đèn pha. Do đó về cơ bản, khi bạn nhìn đèn pha Laser tức là bạn đang nhìn vào ánh sáng tạo ra bởi khí phốt pho, thay vì chính tia laser đó.

Điều gì xảy ra nếu đèn pha Laser bị hỏng hoặc chiếu sáng không tập trung ? Một lần nữa, hãng xe sang BMW cho biết, cơ chế sẽ tự động ngừng hoạt động.

Ánh sáng tạo ra trong quá trình này cho độ sáng gấp 1.000 lần đèn pha LED trong khi tiêu tốn khoảng 2/3 (hoặc thậm chí 1/2) công suất. Và nhờ có khí phốt pho, nhiệt độ màu của ánh sáng (5.500 – 6.000K) hầu như gần với nhiệt độ màu của ánh sáng tự nhiên (khoảng 6.500K).

 Sơ đồ cấu tạo bộ đèn pha Laser được BMW sử dụng

 Đèn pha Laser của BMW i8

 Đèn pha Laser của Audi R8 LMX

Với công suất lớn hơn đèn LED, đèn pha laser cho phạm vi chiếu sáng gấp đôi và đủ nhỏ gọn để phù hợp với nhiều kiểu dáng/gói tùy chọn.

Theo BMW, nhược điểm của đèn pha Laser là nó chỉ hoạt động ở đèn chiếu xa và điều này cũng đồng nghĩa với chi phí tốn kém. Theo ước tính, với khoảng 6 tia laser công nghệ cao ở mỗi đèn pha (tổng cộng 12 tia ở cả hai đèn), bạn sẽ mất khoảng 10.000 USD (tương đương 222 triệu đồng). Và mức giá này cũng bao gồm các công nghệ chống chói tự động bởi không lái xe nào muốn đối diện ánh sáng mặt trời ở khoảng cách 600m.

Công nghệ đèn pha laser của Audi cũng vận hành theo cơ chế tương tự song sử dụng 4 tia laser ở mỗi đèn pha.

Như vậy, có thể tóm tắt ưu, nhược điểm của đèn pha Laser như sau:

Ưu điểm:

* tiết kiệm năng lượng

* nhỏ gọn

* sáng gấp 1.000 lần so với đèn pha LED và cho phạm vi chiếu sáng gấp đôi

Nhược điểm:

* vô cùng đắt đỏ

* hiện tại, không thể sử dụng cho cả đèn chiếu gần và đèn chiếu xa, đồng thời, đòi hỏi hệ thống LED hoặc HID thông thường hoạt động cùng lúc

* vẫn cần quá trình làm mát bởi tỏa nhiệt hơn rất nhiều so với đèn LED

 

Bài & Ảnh: Autoevolution