Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2012 №6

Светодиодные матричные ЖД-светофоры. Все «за» и «против».


Настоящий материал подготовлен на основе рекомендаций и мнений разработчиков светодиодной сигнальной техники для железных дорог. Авторами предпринята попытка объективно изложить все известные факты, связанные с историей создания светооптических светодиодных систем и опытом их эксплуатации, донести до пользователя в сжатой форме все их плюсы и минусы, что называется, «из первых рук». Приведенные в работе технические характеристики, мнения и рассуждения, их анализ ни в коем случае не направлены на дискредитацию светооптических светодиодных систем какого-либо производителя.

К сожалению, большинству конечных заинтересованных потребителей светооптических светодиодных систем (ССС), например службам СЦБ участков дорог, недоступна достоверная информация о светодиодном новшестве, свободная от рекламной шелухи производителей и продвигающих данный продукт коммерсантов. Соответственно, специалисты департаментов дорог и дистанций не имеют возможности воедино собрать, изучить и оценить всю существующую информацию, поскольку сбором и анализом статистических данных никто не занимается. Имеющийся 15-летний опыт разработки и внедрения ССС позволяет объективно и «изнутри» оценить все проблемы их использования и функционирования. Надеемся, что статья окажется весьма полезной специалистам, а достоверная информация, изложенная в ней, поможет сделать правильный выбор в пользу тех или иных устройств сигнализации СЦБ (систем централизации и блокировки).

Немного истории

В конце XX в. благодаря научно-техническому прогрессу в технологии производства светодиодов их цена достигла уровня, при котором стало возможным их широкое применение в электронной и светотехнической продукции. Использование светодиодов в светосигнальных устройствах, по ожиданиям разработчиков, должно было дать существенные преимущества по сравнению с лампами накаливания, среди которых основные:

  • более яркий и насыщенный цвет сигнала;
  • отсутствие необходимости использовать цветной фильтр, который в разы снижает эффективность использования светового потока, создаваемого источником света;
  • время эксплуатации, в десятки раз превышающее этот параметр для ламп накаливания, что позволяет глобально снизить эксплуатационные расходы;
  • возможность в разы снизить энергопотребление сигнальной аппаратурой, что особенно актуально в настоящее время.

Наличие светодиодов, доступных по цене, при которой стоимость конечного изделия делала экономически целесообразным его использование, подтолкнуло инженеров к разработке светосигнальной техники на их основе. Так как светодиоды применялись в основном в качестве индикаторов, при их производстве в подавляющем большинстве использовались излучающие кристаллы размером 300х300 мкм. Для достижения параметров (сила света и ее распределение при заданной светящей апертуре сигнала), предъявляемых к светосигнальной технике, требовались системы, состоящие из большого количества (более 100) светодиодов. Это обстоятельство и продиктовало единственный возможный на тот момент путь создания таких систем: разработка светодиодных матриц (кластеров). В 1998 г. ЦШ МПС России подписал техническое задание на светодиодный светофор нескольким российским компаниям. Среди них можно выделить две наиболее успешные:

  • ООО «Корвет-Лайтс».
    Группой авторов был получен патент № 2134000 от 31.12.1997 г. на конструкцию уникального светодиода с углом излучения 3°, на основе которого появились квазимонохромные источники излучения кластерного типа, не требующие использования в своей конструкции вторичной оптики.
  • «ИРСЭТ-Центр». В разработанной компанией ССС применялась вторичная оптика, что несколько усложняло конструкцию и не обеспечивало стабильность светооптических параметров во всем требуемом диапазоне эксплуатационных температур.

В настоящий момент на российском рынке можно выделить три фирмы, поставляющие светооптические системы светодиодные для ОАО «РЖД».

ЗАО «НПО РоСАТ»

Рассматриваемая ССС является разработкой компании ООО «Корвет-Лайтс», впоследствии усовершенствованной ЗАО «Кавер Лайт» и доработанной ЗАО «НПО РоСАТ» (рис. 1). Это единственная разработка, базирующаяся на основе светодиодов собственного производства, в каждый из которых интегрирована своя оптическая система на основе уникальной линзы Френеля. В отличие от конкурентов, она не требует наличия в конструкции вторичных оптических систем (только светодиоды). Конструктивно состоит из корпуса, печатной платы с установленными на ней светодиодами (матрицы), электрической платы и выпуклого защитного прозрачного колпака из поликарбоната. Изготавливается по ТУ 3185-003-01404314-2009.

Светооптическая система производства ЗАО «НПО РоСАТ»

Рис. 1. Светооптическая система производства ЗАО «НПО РоСАТ»

ЗАО «Транс-Сигнал»

Данные ССС состоят из оптической системы (рис. 2) и блока электроники, изготавливаются по НКМР.676636.030 ТУ [1]. Они базируются на семи светодиодах фирмы ОSRAM серии OSLON, установленных на печатной плате с алюминиевым основанием. Элементом вторичной оптики является групповая линза, состоящая из семи линз Френеля, каждая из которых располагается на оси соответствующего светодиода. Внешняя поверхность защитного колпака плоская и располагается под углом к вертикальной оси светофора для уменьшения катафотного эффекта.

Светооптическая система производства ЗАО «Транс-Сигнал»

Рис. 2. Светооптическая система производства ЗАО «Транс-Сигнал»

ОАО «ПО УОМЗ»

ССС данного производителя включает в себя:

  • Блок питания светофоров БПС-АБ. ТУ 32 ЦШ 3185-077-95982431-2009. Выполнен в типовом корпусе реле НМШ, состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя и элементов защиты от помех и повышенного напряжения.
  • Модуль типа СЖДМ (рис. 3). ТУ 32 ЦШ 3185-075-95982431-2009. Состоит из светооптической системы и платы фильтра в пластиковом корпусе, закрытом с лицевой стороны прозрачным колпаком из поликарбоната (у красного — окрашенным в цвет сигнала). Внешняя поверхность защитного колпака плоская и располагается под углом к вертикальной оси светофора для уменьшения катафотного эффекта. Оптическая система состоит из печатной платы на алюминиевом основании. На ней установлены 19 светодиодов зарубежного производства. К печатной плате прикреплен оптический сепаратор с установленными в нем линзами по количеству светодиодов.

По результатам сформированного техническим заданием РЖД рынка производителей ССС и апробации их продукции в натурных условиях можно сделать некоторые выводы. По большинству позиций (декларативно заявленных преимуществ) ожидания разработчиков светодиодных кластерных систем не нашли практического подтверждения. Более того, как показывает практика использования ССС в реальном эксплуатационном режиме, минусов оказалось больше, чем плюсов. Рассмотрим все существенные аспекты более подробно.

Светооптическая система производства ОАО «ПО УОМЗ»

Рис. 3. Светооптическая система производства ОАО «ПО УОМЗ»

Ожидаемые положительные результаты разработки и внедрения

Более яркий и насыщенный цвет сигнала

Здесь можно говорить о вопросе стабильности заданной координаты цветности, не зависящей от качества изготовления светофильтра. Но увы, для желтого и красного цветов, имеющих самое большое значение для безопасности как запрещающих, обеспечение неизменности длины волны в зависимости от температуры не гарантировано. Необходима стабилизация температуры p-n-перехода светодиодов, что очень непросто, учитывая диапазон температур при эксплуатации на РЖД (–60…+65 °С). Существует очень большая зависимость доминантной длины волны и силы света у этих светодиодов от температуры p-n-перехода [2, 3].

Отсутствие необходимости использовать цветной фильтр

Один из немногих ожидаемых эффектов применения квазимонохромных светодиодных кластеров. Но и здесь имеется маленькая ложечка дегтя. Квантовый выход красных светодиодов заданной длины волны мал, поэтому ССС красного цвета свечения с трудом «дотягивают» до регламентируемых норм по силе света, а по мере деградации светодиодов она будет также уменьшаться.

Время эксплуатации в десятки раз превышает время эксплуатации ламп накаливания

Срок службы светодиодов действительно в десятки раз больше аналогичного параметра ламп накаливания, тем более что они устойчивей к влиянию механических воздействий. Но это вряд ли можно напрямую отнести к светодиодным светооптическим системам. ССС содержат электролитические конденсаторы и большое количество электронных компонентов, работающих в весьма экстремальных условиях (температурные и механические воздействия). Все это вызывает огромные сомнения в заявленном производителями сроке службы и надежной работе данных изделий. На настоящий момент 50 000 ч не наработала ни одна из установленных на сети дорог ОАО «РЖД» рассмотренных в данном обзоре систем.

Глобальное снижение эксплуатационных расходов

Также сомнительный аргумент в части глобальности или 10–15-кратного снижения эксплуатационных расходов — по заверению производителей. Лампу заменяют четыре раза в год. ССС менять не надо, но в соответствии с новой инструкцией ЦШ-720 проверка видимости с той же периодичностью все равно остается, плюс необходима очистка прозрачного колпака от эксплуатационных загрязнений. Поэтому трудно вообще говорить об ощутимом снижении эксплуатационных расходов. С одной стороны, причина тому — отчеты о внедрении с недостоверными данными, с другой — изначальное ожидание только положительного результата. Даже если брать в расчет эксплуатационные расходы, которых требуют линзовые комплекты, и задержки поездов от перегорания ламп накаливания, то многие, как ни странно «ушли в минус» от внедрения светодиодных головок.

Возможность в разы снизить энергопотребление

Ни одна из ССС не потребляет электроэнергии меньше лампы накаливания. Соответственно, ни о какой экономии в этом аспекте не может быть и речи — ввиду адаптации к существующей релейной системе управления с одной стороны, и невозможности выполнить светооптические характеристики — с другой.

Антивандальное исполнение

Вандалозащищенность достигается за счет применения прозрачного колпака из поликарбоната вместо стеклянного линзового комплекта. Это не до конца достоверная декларация. Поликарбонат, в отличие от стекла, подвержен естественному воздействию ветра и содержащейся в воздухе пыли и осколков щебня дорожного полотна (абразивых частиц), что приводит к появлению множественных мелких царапин на его поверхности. Как следствие — снижение светооптических характеристик и необходимость замены колпака, сроки которой зависят от количества абразива в воздухе в месте эксплуатирования ССС. На сегодня это очень актуальная проблема. И разработчики ищут пути упрочнения поверхностного слоя поликарбонатных колпаков для снижения результатов воздействия абразива воздуха.

Отрицательные стороны результатов внедрения

Дороговизна

В связи с тем, что ССС не являются системами прямой замены используемых на сети дорог линзовых комплектов КЛМ и КЛК (мачтовых и карликовых), а также прожекторных светофоров, при их внедрении необходима доработка интерфейсов подключения в соответствии с разработанными и утвержденными техническими решениями. В связи с этим к цене ССС необходимо добавить соответствующие значительные расходы на их внедрение, зачастую не меньшие, чем цена самих систем. В большинстве случаев внедрение ССС целесообразно проводить только на модернизируемых и вновь строящихся участках дорог. Единственный плюс явно завышенной стоимости — ожидание больших прибылей производителем совместно с лицами, лоббирующими внедрение ССС. Однако авторы статьи полагают, что это маловероятно, поскольку безопасность на железных дорогах гораздо важнее прибылей, какими бы высокими они ни были.

Отсутствие взаимозаменяемости

При выходе из строя ССС их ремонт, как правило, необходимо производить на предприятии–изготовителе, что абсолютно неудобно дистанциям пути. Необходимо иметь достаточное количество ССС разных цветов в необходимом минимальном резерве (хотя бы по одной ССС каждого цвета мачтового и карликового, 10 светодиодных систем), что достаточно накладно для дистанции и для дороги в целом. Заменить отказавшую ССС линзовым комплектом не удастся, так как интерфейсы СЦБ изменены под светооптическую систему. В то же время замена ССС разных производителей недопустима опять же из-за разницы в интерфейсе. Более того, указаниями ЦШ запрещена установка на одном участке одновременно ССС и линзовых комплектов из-за отличий их восприятия. С учетом низкой надежности ССС этот аспект проблемы весьма актуален, Заводом-изготовителем не представлена принципиальная схема ССС для возможности послегарантийного ремонта при выходе из строя модуля; не предусмотрена возможность юстировки СССМ в условиях РТУ.

«Они еще и тяжеленные, по сравнению с двухнитевой лампочкой. Раньше как — сгорела, быстро залез, сменил и свободен. А тут надо точно знать цвет, чтоб не таскать все три. Да и по времени замены не айс», — пестрят записи в форумах профессионалов СЦБ [4].

Катафотный эффект

Ввиду конструктивных (оптических) особенностей ССС, особенно из-за отсутствия светофильтра, присуще проявление катафотного эффекта, чего не наблюдается у линзового комплекта. Этот эффект связан с отражением ССС света, источник которого находится под определенным углом к системе (Солнце, прожектор локомотива). Отраженный свет может попадать в поле зрения машиниста и из-за «разбавления» собой основного цвета сигнала вызвать неправильный результат его восприятия, либо сделать то же самое при не горящем сигнале, сформировав ложный сигнал (рис. 4).

Визуализация катафотного эффекта

Рис. 4. Визуализация катафотного эффекта

Об этом неоднократно поднимался вопрос в структурах РЖД перед производителями ССС, но физику процесса, как и закон всемирного тяготения, административными способами невозможно преодолеть. Суть вопроса в том, что вся оптическая схема призвана вывести из ССС весь свет с поверхности излучающего кристалла светодиода. Но работает и обратный процесс: весь внешний свет, падающий на апертуру ССС, фокусируется линзой на поверхность чипа и отражается от него словно излучаемый им самим. Обратный, отраженный пучок воспринимается наблюдателем как свечение. В линзовом комплекте как входящее, так и исходящее излучение ослабляются светофильтром в n2 раз, и от малой площади поверхности спирали нити отражается количество света, недостаточное для проявления катафотного эффекта. Единственное отличие — цвет. Как правило, солнечный свет или свет лобового прожектора локомотива отражаются как желтый или белый. В связи с этим главная опасность — проявление катафотного эффекта при запрещающем (красном или синем) сигнале светофора, который может восприниматься машинистом как разрешающий: таким образом, становится типичной примерно такая ситуация в ночное время: в свете головного огня локомотива на светофоре светятся желтым три ССС — один ярче (тот, который во включенном режиме), а на двух других — отраженный сигнал.

Непараллельность осей сигналов

При установке ССС на светофорную головку видимость сигналов может значительно отличаться из-за непараллельности их оптических осей, связанной с технологическими особенностями производства. Даже заявленные производителями возможности юстировки сигналов ССС не решают проблемы, поскольку отсутствуют какие-либо инструментальные средства проведения такой юстировки в натурных условиях, что делает ее чисто субъективной.

Однако даже если все сигналы имеют параллельные оси и были правильно наведены на месте установки светофорной головки (луч — параллельно крайнему рельсу), то отраженный от них свет будет в какой-то момент (при подъезде локомотива) попадать в кабину машиниста и непременно ослепит его.

Ослепление машинистов

Невозможность корректного перехода в ночной режим и чрезмерная сила света сигнала в темное время суток , приводят к ослеплению машинистов сигналом светофора.

В этом случае машинисты высказываются единогласно: они ничего не видят, кроме сигнала светофора. Это наиболее четко выражено на синих маневровых сигналах. Однако есть подобные нарекания и в отношении проходных светофоров [4].

Неравномерность засветки апертуры

Ведущими специалистами ВНИИЖТ сформулировано следующее требование к разрабатываемому светодиодному источнику света прямой замены лампы ЖС 12-15+15: «Видимая светящая поверхность КЛМ и КЛК со «светодиодным источником света» должна соответствовать диаметру выходного отверстия (внешней линзы) и не должна иметь темных пятен». Тем самым подчеркивается важность для безопасности движения равномерности свечения всей видимой светящейся поверхности сигнала светофора. Однако даже у ССС с 68 светодиодами с натяжкой можно говорить о равномерности, тем более это неприменимо к ССС с 19 и тем более семью источниками света, особенно если некоторые из них начинают гаснуть. Здесь линзовый комплект выигрывает на все 100% (рис. 5).

Видимое различие в площади засветки апертуры линзовых комплектов

Рис. 5. Видимое различие в площади засветки апертуры линзовых комплектов: а) на желтом сигнале: ССС в левой головке; б) на зеленом сигнале: ССС в левой головке)

Весьма существенен тот факт, что разработчиком регламентирован критерий отказа: «отсутствие свечения в ССС более 30% светодиодов». Однако, с эстетической точки зрения, вряд ли кто в здравом уме назовет исправной ССС, у которой вышло из строя даже не 30%, а 25% источников света (рис. 6).

Светофорная головка с вышедшими из строя светодиодами в ССС

Рис. 6. Светофорная головка с вышедшими из строя светодиодами в ССС

Проблемы совместимости с системами СЦБ

Обсуждалось выше, поэтому, что называется, «без комментариев».

В итоге по результатам приведенных фактов обнаруживается полное отсутствие плюсов от внедрения матричных сигнальных систем. Кроме более высокой яркости сигнала, приводящей к ослеплению машинистов, обнаружено огромное количество минусов и проблем. Справедливо возникает вопрос: «А зачем это вообще нужно?»

Что делать?

Извечный вопрос, поднятый классиком в давние времена. С одной стороны — глобальное сокращение производства ламп накаливания и, как результат, катастрофическое снижение их качества, включая лампы серии ЖС. С другой стороны, учитывая сказанное выше, только тот, кто желает потратить уйму денег и получить при этом огромное количество проблем без ощутимых преимуществ, будет усиленно внедрять ССС.

Где же выход? Последние разработки глобального игрока на рынке светодиодных технологий компании SWARCO FUTURIT (Словакия) свидетельствуют о том, что мучительный этап внедрения кластерных систем, по крайней мере в ЖД-светофорах, подходит к своему логическому завершению. Так, например, разработанный модуль RAILED имеет центральный источник света, выполненный на светодиодах. [5]. Более того, компанией разработан также модуль FUTURLED3 для уличного светофора с центральным источником света. Вот как они представлены на сайте компании [6]: «модули для вставки в светофоры: самый простой путь замены ламповых сигналов на светодиодные сигналы последнего поколения. Продажа 2,5 миллиона модулей FUTURLED3 наглядно подтверждает уникальную позицию SWARCO FUTURIT на рынке светодиодных технологий. Более 10 лет опыта в разработке и производстве светодиодных сигналов позволяют нам предлагать высоконадежный и инновационный продукт. Центральный источник света в комбинации с двойной линзой позволяют достигать великолепной и равномерной светопередачи» [6]. Однако и в России имеется разработка, защищенная патентами и являющаяся гораздо менее дорогой и при этом более эффективной альтернативой как ССС [7, 8], так и RAILED, — лампа прямой замены лампы накаливания в стандартных линзовых комплектах КЛМ и КЛК на основе белых светодиодов, универсальная для всех пяти цветов сигналов, используемых на сети РЖД. Лампа полностью совместима со всеми интерфейсами СЦБ и уже при 5 Вт потребляемой мощности полностью соответствует всем требованиям по силе света. Достаточно удалить лампу ЖС 12-15+15 и на ее место установить светодиодную, никаких дополнительных капиталовложений, доработок интерфейсов не требуется. В самом крайнем случае всегда на ее место можно поставить обратно лампу накаливания. Что касается светодиодных матриц — это замечательная современная разработка инженеров. Вопрос только в том, что применять их необходимо строго по назначению. В устройствах сигнализации, где необходима графическая меняющаяся информация, анимация, отсчет времени горения сигнала светофора и т. п., светодиодные матрицы просто незаменимы. И совершенно необязательно пытаться приспособить сложные системы там, где можно обойтись гораздо более простыми, да еще и с улучшением технико-экономических показателей. В любом случае выводы и выбор за потребителем.

Литература

  1. http://trans-signal.ru/production/?SECTION_ID=16&ELEMENT_ID=151
  2. Никифоров С. Г. Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2005. № 9.
  3. Никифоров С. Г. Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2006. № 1.
  4. http://scbist.com/obschie-voprosy-ekspluatacii-ustroistv-scb/307-svetodiodnye-svetofory-38.html
  5. http://www.swarco.com/en/Products-Services/Traffic-Management/Public-Transport/Signals-for-Public-Transport/RAILED.
  6. http://www.swarco.com/en/Products-Services/Traffic-Management/Urban-Traffic-Management/Traffic-Lights/FUTURLED3
  7. Абрамов В. С., Сушков В. П., Никифоров С. Г. Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров // 8-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе. С-Пб, 26–28 мая 2011.
  8. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Иванов А. А., Пензев П., Мухов Х. Светодиодная лампа для ЖД-светофоров // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 3.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке