Проблемы разработки и применения светооптических светодиодных систем

Разработкой светооптических светодиодных систем для светофорной сигнализации в настоящее время занимаются многие коллективы научно- исследовательских институтов, конструкторских бюро. Среди них: ГТСС – филиал ОАО «РЖД»; ОАО «ВНИИЖТ»; ОАО «НИИАС»; АЭМЗ – филиал ОАО «РЖД»; ООО «Корвет – Лайтс»; ЗАО «СМП ГИБДД»; «Ирсет-центр»; ЗАО НПО «РоСАТ»; ЗАО «Свет­лана» и др.

Разработанные этими фирмами светооптические светодиодные системы для железнодорожной светофорной сигнализации отличаются конструкцией излучателей света и схемами их управления.

Рассмотрим кратко некоторые проблемы, которые решались (решаются) при разработке этих систем [16–26]. К таким проблемным вопросам относится специфика работы p-n перехода в светодиоде [19].

Специфика p–n перехода. В светооптических системах для получения требуемого светового потока применяются специальные светодиодные матрицы (СДМ). На рис. 48 приведена схема СДМ светофорной головки переездного светофора, состоящая из светодиодов (VD1 – VD96) и ограничивающих сопротивлений (R1 – R48), подключенных к источнику постоянного тока.

Специфика p–n переходов светодиодов в таких матрицах определяет ряд особенностей разработки и эксплуатации светофоров. Эти особенности являются принципиально новыми и требуют применения во многих случаях нетрадиционных и ранее не использующихся в устройствах СЦБ технических методов и схемотехнических решений.

Рис. 48. Светодиодная матрица головки

переездного светофора

В первую очередь к таким решениям можно отнести следующие наиболее важные вопросы:

– учет зависимости падения напряжения на p–n переходе светодиодов от внешних факторов;

– выбор источника тока для питания светодиодов;

– обеспечение дневного, ночного и светомаскировочных режимов;

– разработку мероприятий, повышающих надежность работы светооптических светодиодных систем.

Учет падения напряженияна р–n переходе светодиодов. Известно, чтопадение напряжения на р–n переходе светодиода существенно меньше, чем напряжение питания традиционной лампы накаливания – 12 В и составляет 1, 5…3 В. Этот факт может восприниматься как положительное свойство светодиодов, характеризующее его более высокую эффективность, т.е. возможность применения более низкого питающего напряжения или включение нескольких последовательно включенных светодиодов в типовые схемы питания ламп накаливания в светофорах. Однако потенциальной реализации положительного свойства светодиодов препятствует ряд ограничений, о чем будет сказано ниже.

Выбор источника тока. Непосредственное подключение светодиода или группы последовательно включенных светодиодов к источнику напряжения невозможно по двум основным причинам. Первая из них заключается в том, что для создания необходимого светового потока и обеспечения нормированных электрических режимов работы светодиодного излучателя света потребуется пропускать через р-n переход ток в строго определенном диапазоне значений, что невозможно выполнить при непосредственном подключении светодиодов к источнику напряжения. Вторая причина – существенная зависимость падения напряжения на излучающем переходе, равно как и на любом полупроводниковом элементе, от температуры перехода и технологического разброса его параметров. Если технологический разброс можно в какой-то мере компенсировать путем отбора групп светодиодов, выращенных на кремниевой пластине в едином технологическом цикле изготовления полупроводниковой структуры, то изменение температуры окружающей среды остается существенно влияющим и независимым фактором.

Фактическое падение напряжения на переходе, например, фосфидгалиевых светодиодов при температуре +25 °С, согласно существующим технологическим нормам, имеет разброс напряжений перехода:
U_пер = 2…3, 1 В [27].

Для выполнения этих условий необходимо применять для электропитания светодиодов или светодиодных матриц, стабильные источники тока. В наиболее простом случае источник тока реализуется включением последовательно со светодиодами ограничивающих резисторов R_о
(R1 ─ R48), задающих нормируемое значение тока при подключении к источнику напряжения (рис. 48). Расчеты показали, что для создания, даже сравнительно невысокой стабильности тока, протекающего через светодиод, необходимо, чтобы относительно падения напряжения на резисторе R_о выполнялось неравенство: U_Rо > (3…5)∆ U_пер, где ∆ U_пер – изменение падения напряжения на переходе светодиода от воздействия различных факторов, основным из которых является изменение температуры. Это приводит к тому, что по отношению к лампам накаливания общая светоэнергетическая эффективность СДМ с подобной резисторной системой электропитания оказывается незначительной.

Более рациональным методом повышения энергетической эффективности систем электропитания СДМ является использование импульсных стабилизирующих источников тока, в которых ограничивающие активные резисторы, а значит, и потери активной мощности отсутствуют
(см. рис. 62).

Наряду с изложенными выше факторами необходимо учитывать, что для питания СДМ, в отличие от ламп накаливания, требуется источник только постоянного непрерывного или импульсного тока (напряжения). Это исключает возможность непосредственного использования традиционного источника переменного напряжения 12 В.

В реальном светофоре для создания требуемой яркости светового потока используются СДМ с несколькими десятками единичных светодиодов. В общем случае возможно параллельное, последовательное
(рис. 49) и комбинированное включение всех светодиодов (рис. 48). Последовательное включение светодиодов СДМ потребует использования источника тока с выходным напряжением в несколько десятков или сотен вольт. При этом поддержание стабильного тока во всех светодиодах должно обеспечиваться одним источником тока. В случае параллельного включения светодиодов требуемое напряжение практически составит 1, 5...3 В, однако для задания тока в каждом из них необходимо иметь отдельные источники тока, количество которых должно быть равно числу параллельно включенных светодиодов (см. рис. 57). Очевидно, что все эти варианты включения светодиодов имеют свои преимущества и недостатки в практическом использовании.

Поэтому в предлагаемых для практического применения схемах и конструкциях СДМ принято, что выходное напряжение источника тока чаще всего берется равным 12 В. Это соответствует общепринятому номиналу и облегчает в некоторой степени условия установки СДМ в стандартных устройствах СЦБ за счет унификации напряжений. Выбранное напряжение определило количество включенных последовательно светодиодов в одной ветви и колеблется от одного до четырех, а полная светодиодная матрица светофора состоит из нескольких параллельно включенных групп.

Источник тока используется один для всей СДМ, а токи через группы светодиодов выравниваются путем последовательного включения в каждую из параллельных групп активного резистора, величина сопротивления которого определяется соображением, изложенным выше. Очевидно, что такое техническое решение не оптимально как по энерге­ти­ческим характеристикам, так и по разнице в светоотдаче различных параллельно включенных групп светодиодов. Поэтому ведутся поиски более рациональных методов выравнивания токов в группах светодиодов (см. рис. 57).

Учет длины волны излучения СДМ. Одним из преимуществ светофоров с применением СДМ является отсутствие в них светофильтров, так как современная полупроводниковая технология позволяет получать широкий спектр излучения светодиодов – от инфракрасного до ультрафиолетового, с достаточно плавными промежуточными градациями. Длины волн излучения СДМ различных показаний светофоров должны строго соответствовать цветности оптической системы существующих светофоров – зеленого, красного, желтого, синего и лунно-белого (см. разд. 3, рис. 40). Так как спектр излучения светодиодов не может быть плавно изменен, если это требуется, то в светофорах с СДМ не исключено применение корректирующих светофильтров.

Вместе с этим известно, что длина волны излучения светодиода изменяется при изменении температуры его p-n перехода [27].

Поэтому практическая оценка диапазона возможных эксплуатационных изменений длины волны излучения СДМ может потребовать принятия мер по ее стабилизации, что должно быть учтено при разработке источника тока. Одновременно с этим должна быть произведена оценка разброса длин волн излучения различных светодиодов, входящих в состав СДМ, а также необходимо исследование процессов старения СДМ и их влияние на спектр излучения.

Таким образом, если в светофорах с лампами накаливания длина волны излучения является строго заданной величиной и определяется
спектральными характеристиками светофильтров, которые на протяжении эксплуатации практически не изменяются, то при использовании СДМ возможны изменения длины волны излучения, что может привести к изменению восприятия машинистом цвета показания светофора. Даже в существующих светофорах с лампами накаливания известны факты изменения восприятия машинистом цвета при наличии определенных атмосферных осадков, засветки линзового комплекта солнечными лучами или в зависимости от времени суток. Поэтому при разработке светофоров с использованием СДМ требуются дальнейшие психофизиологические исследования восприятия цветовых сигналов при различных условиях эксплуатации.

Обеспечение надежности источника тока и СДМ. Существующие системы подачи напряжения на лампы накаливания светофоров предельно просты и включают в себя сигнальный трансформатор и контакты реле СЦБ. Это определяет их высокую надежность. Введение в тракт подачи напряжения на СДМ относительно сложного стабилизирующего источника тока (или, возможно, регулируемого источника напряжения) снижает надежность работы светофора в целом. Поэтому необходимо применять специальные меры структурного или схемотех­ни­ческого характера.

Надежность работы светофора существенно зависит от схемы включения единичных светодиодов СДМ. Если, например, все светодиоды матрицы включены последовательно, то обрыв одного из них (наиболее типичный вид отказа) приводит к отказу всей СДМ, а следовательно, и к изменению сигнализации светофора в сторону более запрещающего показания. Замыкание одного или нескольких светодиодов может не сказаться на функционировании светофора. В случае параллельного включения светодиодов обрыв любого из них не приведет к каким-либо существенным негативным последствиям. В этом случае негативные последствия замыкания одного или нескольких светодиодов зависят от схемы их включения в СДМ. Например, если каждый из них включен через собственный источник тока (или резистор), то замыкание существенного влияния на работоспособность светофора не окажет. При непосредственном параллельном подключении всех светодиодов к источнику питания и коротком замыкании одного из них произойдет отказ всей СДМ светофора.

Из этого следует, что выбор системы электропитания СДМ и рациональность того или иного способа включения единичных светодиодов в матрице определяются не только изложенными выше соображениями энергетической эффективности и выравнивания токов и напряжений, но и требуемыми показателями надежности функционирования светофора.

Применение светодиодной техники в ответственной аппаратуре, такой, как железнодорожные светофоры, сопряжено с рядом технических трудностей, самой главной из которых является требование контроля светимости головок светофора. При применении ламп накаливания это требование (в силу физических особенностей ламп) легко и однозначно реали­зуется посредством контроля тока, протекающего через нить лампы, так как у лампы накаливания факт протекания тока определенной величины говорит о её свечении с определенной силой света, и наоборот, отсутствие тока через нити лампы однозначно говорит об отсутствии свечения.

Так, при снижении напряжения 12 В на нити накаливания в два раза (светомаскировочный режим) ток, протекающий через неё, уменьшается всего на 30 % и его достаточно для удержания якоря огневого реле типа АОШ2-180/45 в притянутом состоянии, что свидетельствует об исправном состоянии нити лампы.

У светодиодов другая характеристика. При снижении напряжения 12 В в два раза на каждом из четырех последовательно включенных светодиодов, с учетом ограничивающего сопротивления, падение напряжения составит около 1, 5 В. При этом ток, протекающий через них, и излучение света практически будут отсутствовать, а следовательно, и светомаскировочный режим выполняться не будет. Поэтому адаптировать светодиодный источник под характеристики СДМ и огневого реле без специальной электрической схемы согласования не представляется возможным.

Если источником света в светофорах является распределенная оптическая система, состоящая из множества единичных источников света (светодиодов), то контроль заданных параметров излучения усложняется. В этом случае необходимо определить количество отказавших светодиодов, при наличии которых сохраняется работоспособность светофора при заданных требованиях эксплуатации (дальность видимости, цветность и т. д.). Очевидно, что в данном случае функцией огневого реле должно стать определение количества отказавших светодиодов по величине потребляемого матрицей тока или мощности. Если общее количество светодиодов в СДМ составит несколько десятков, то для целей контроля существующие электромагнитные огневые реле будут не пригодны.

Из вышесказанного следует, что в случае светодиодной техники необходимо контролировать не электрические параметры цепи, в которую включена светодиодная головка, а непосредственно световой поток, излучаемый элементами СДМ. Второй существенной проблемой при применении светодиодных головок вместо линзовых комплектов с лампами накаливания является иной принцип управления режимами свечения светофоров («дневной», «ночной», «светомаскировочный»), который не может реализоваться типовыми схемами управления огнями светофоров на железнодорожном транспорте. Специалистами ВНИАС, работающими в этом направлении, сделано заключение, что радикально решить проблему контроля светимости СДМ можно только одновременно с заменой существующих систем управления и контроля огнями светофора на микропроцессорные системы. Такие системы позволят обеспечить принципиально иной метод управления огнями светофора и контроль во всех режимах его работы. Уже известны положительные решения данной проблемы, осуществленные разработчиками фирмы General Eleсtric (США). Над решением этой проблемы работают и отечественные разработчики светооптических светодиодных систем [18].

Фокусировка светового потока элементов СДМ. Если в традиционных светофорах источником света служит точечная нить накаливания лампы, то в светофорах с СДМ источником света является распределенная поверхность матрицы, площадь которой не может быть представлена аналогом нити накаливания. Если исходить из соображения предельной рассеиваемой светодиодами мощности и получения при этом максимальной их светоотдачи, то площадь СДМ должна быть примерно равна площади линзового комплекта существующего светофора.

Применение распределенного источника излучения исключает использование традиционных линз Френеля для создания требуемых характеристик фокусирования пучка света. В светооптических светодиодных системах с СДМ требуется применение дискретных оптических систем, у которых каждая, например, дискретная линза, представляющая собой обычную линзу, должна быть расположена непосредственно над каждым единичным светодиодом. Причем каждая из этих линз должна обладать своими оптическими характеристиками в части направления и фокусировки светового потока в требуемом направлении. При этом суммарный световой поток, концентрируемый и фокусируемый всеми светодиодами, качественно и количественно должен быть эквивалентен световому потоку традиционного светофора с лампами накаливания.

Кроме того, в некоторых случаях требуется отклонение светового потока от прямолинейного направления, в частности в карликовых маневровых светофорах или на светофорах, устанавливаемых в криволинейных участках пути. В существующих светофорах эта функция выпол­няется специальными отклоняющими вставками или рассеивающими линзами.

Подобные дискретные оптические системы после выполнения соответствующих оптических расчетов и моделирования уже реализуются в отечественных светооптических светодиодных системах.

Таким образом, применение СДМ в поездных светофорах требует нетрадиционного подхода к созданию оптических систем фокусирования светового потока, что радикально отличает их от существующих и общепринятых в оптических устройствах железнодорожного транспорта.

В настоящее время разработкой и изготовлением светооптических светодиодных систем для железнодорожного транспорта занимаются многие организации. Центральной дирекцией инфраструктуры – филиала
ОАО «РЖД» и Управлением автоматики и телемеханики письмом
№ ЦШТех-22/24 от 0.8. 07. 11 рекомендованы для применения в
ОАО «РЖД» светооптические светодиодные системы и технические решения по управлению светофорами со светодиодными светооптическими системами следующих разработчиков: ЗАО НПО «РоСАТ» (г. Армавир); ОАО «ПО УОМЗ» (г. Екатеринбург); ЗАО «Транс-Сигнал» (г. Н. Новгород).

В связи с тем, что ряд задач, поставленных перед разработчиками светооптических светодиодных систем для железнодорожных светофоров, требовали дополнительных конструкторских разработок, было принято решение (протокол № ЦШТех- 4/13 от 21.06.2009 г.): для светодиодных светофоров не осуществлять режим двойного снижения напряжения «ДСН». Поэтому в существующих схемах реле ДСН изымается, а из схем исключаются его контакты.

Далее рассмотрим основные технические решения конструкций светооптических светодиодных систем от разных производителей, которые рекомендованы для внедрения на дорогах ОАО «РЖД».

4.3. Светодиодные светофоры на основе модулей СЖДМ
производства ОАО «ПО УОМЗ»