Не все светодиодные светофоры «ослепительно прекрасны»

Введение

В результате технологического прорыва в эпитаксии гетероструктур появились светодиоды (СД) с высокой световой эффективностью. Что, в свою очередь, позволило инженерам проработать вопрос их применения в сигнальных устройствах, регулирующих движение транспорта. На автомобильных и железных дорогах появились светофоры, источниками света в которых являются СД. Бесспорным преимуществом СД-источников света является значительно более высокая, чем у ламп накаливания, световая отдача. Это позволяет не только уверенно распознавать сигнал участниками движения, но и значительно сократить финансовые издержки на сами сигналы за весь срок их службы и, что особенно важно, на их обслуживание.

Светотехнические характеристики монохромных СД на момент разработки первых сигнальных СД-устройств продиктовали единственное возможное решение — матричную структуру источника света сигнала светофора. Это позволило получить требуемые стандартами того времени параметры — суммарный световой поток и необходимую силу света сигнала, как правило, сотней-двумя СД с соответствующими оптическими системами. Но СД-матрицы, наряду с перечисленными выше преимуществами, обладают рядом недостатков [1, 4]: дороговизна, высокая стоимость ремонта матрицы, приводящая к нецелесообразности его проведения в случае отказа части СД, существенный катафотный эффект. Стоит отметить, что фундаментальные физические свойства полупроводниковых СД-источников излучения снижают эффективность применения монохромных кластерных источников света в устройствах светосигнальной аппаратуры. На рис. 1 показана зависимость интенсивности излучения СД различных цветов свечения от температуры p-n-перехода, которая при самых благоприятных условиях по утилизации тепла на 20–30 °С выше температуры окружающей среды. В то же время имеет место значительное увеличение силы света СД (в несколько раз) при отрицательных температурах при условии стабилизации соответствующих электрических характеристик. Последнее обстоятельство является существенной проблемой применения монохромных светодиодов в ж/д светофорах, поскольку их рабочий диапазон температур (по требованиям ГОСТ Р 56057-2014) составляет –60…+55 °С, а диапазон допустимой силы света для создания корректного восприятия цвета сигнала ограничен. То же самое касается и колориметрических характеристик, имеющих сходные значительные изменения при указанных температурах. Для некоторых цветов сигналов на основе монохромных СД это обстоятельство является противоречивым и либо выполнимым условно, либо недостижимым. Поэтому их применение на РЖД (с учетом других вопросов надежности и функционирования) в настоящее время вызывает большие споры. Решить все обозначенные проблемы при условии сохранения применения СД в качестве источников света для сигналов ж/д светофоров может предложенная в [1] лампа на основе СД белого цвета, построенных по системе синий кристалл–люминофор, которая лишена отмеченных недостатков.

Рис. 1. Зависимость интенсивности излучения светодиодов различных цветов свечения от температуры p-n-перехода кристалла

В сигналах светофоров на основе матричных источников к перечисленным недостаткам можно добавить значительное ограничение функциональных возможностей и ослепляющий эффект. Функциональные недостатки таких систем существенны: отсутствие резервного источника света в сигнале (что имеется в случае с лампой накаливания (ЛН) или СД-лампой), невозможность применения дополнительных оптических устройств (рассеиватели и отклоняющие вставки) и отсутствие контроля целостности интерфейсных связей в выключенном («холодном») состоянии, гарантирующего подачу сигнала при наличии напряжения на источнике света светофора. В данной статье более подробно рассмотрены причины и последствия эффекта ослепления, имеющие место при использовании в ж/д сигналах матричных СД-систем.

История развития тематики

В 2010 г. в журнале «Полупроводниковая светотехника» №3 группой авторов-разработчиков была опубликована статья о прямом замещении ЛН, применяемой в ж/д светофорах, СД-лампой. Тщательное исследование ЛН выявило как положительные, так и отрицательные ее стороны. Основным недостатком ЛН является малый срок службы и низкие светотехнические параметры: световая отдача, низкая цветовая температура излучения. В остальном ЛН органично вписывается во все функционалы релейных и микропроцессорных (МПЦ) интерфейсов системы централизации и блокировки (СЦБ). Применение СД в качестве источников излучения в сигнальных световых приборах имеет давнюю историю: от светодиодных светооптических систем (ССС), в которых используется матричный принцип построения излучателя с линзой в каждом СД, до ламп RSL (Rail Signal Lamp), имеющих СД-излучатель, полностью аналогичный по геометрическим размерам и светотехническим характеристикам нити накала лампы, только лишь на порядок величины превосходящий ее по световой отдаче. Полученный огромный опыт использования и изучения различных СД-излучателей в ряде типов ж/д светофоров позволил учесть все недостатки матричных сигналов и преимущества центрального источника света (лампы) в комплекте с линзовой системой (ЛК), проявляющиеся при непосредственном наблюдении узконаправленных (1,5–5°) световых сигналов, коими и являются ж/д светофоры. Ключевым фактором, влияющим на необходимое корректное восприятие таких сигналов, является ряд их основных характеристик — распределение силы света и контраст яркостей с одной стороны, и физиология зрения — с другой. В первом случае это сила света сигнала, ее распределение в пределах угла излучения, заданное минимальное расстояние наблюдения, тип источника излучения (матричный или центральный). Во втором — это яркость источника излучения, спектральное распределение излучения, материал линз и защитных колпаков. На примере разработанных СД-излучателей с центральным источником для ж/д светофоров с прежней штатной линзовой системой, используемой также в составе с ЛН, рассмотрим правомерность и соответствующие преимущества применимости первых на практике в контексте сказанного о связи основных характеристик и особенностей зрительного восприятия световых сигналов.

Описание проблем, причин возникновения и результатов их присутствия

Небольшие углы пространственного распределения силы света сигналов в ж/д светофорах обусловлены рядом условий корректного восприятия их цвета машинистом. Прежде всего, это дальность видности. Небольшой световой поток лампы собирается линзой большой оптической силы в очень узкий пучок, чтобы обеспечить на расстоянии 1 км (требования ПТЭ РЖД) необходимую освещенность сетчатки глаза машиниста для верного распознавания цвета сигнала. Узконаправленность сигнала необходима также и для отсутствия паразитной засветки соседних путей, проходящих в непосредственной близости друг от друга. В противном случае, а также при несоответствующей юстировке светофорных головок, машинист может спутать сигнал светофора своего пути с сигналом соседнего, что недопустимо ни при каких обстоятельствах. Однако, несмотря на указанные условия, с увеличением силы света сигналов, что в настоящее время легко достижимо с помощью СД-систем, возникает серьезный паразитный эффект — ослепление машиниста светом сигнала светофора (как правило, зеленого цвета) при приближении к светофорному объекту даже в светлое время суток, не говоря уже о ночном. Причем на практике отмечено, что такой эффект встречается, в основном у ССС матричного типа, в которых источником света является фасеточная матрица СД различного количества с индивидуальной для каждого излучателя линзой. Несмотря на то, что такие системы могут быть корректно направлены на наблюдателя (настроены), а их угол излучения соответствует требуемым нормам, обозначенная проблема продолжает проявляться и создавать не только дискомфорт для машинистов, но и угрожать безопасности движения на РЖД.

Причины возникновения нежелательных эффектов

Как уже было сказано выше, источники света для светофоров и прочих непосредственно наблюдаемых источников, имеющих вторичную оптическую систему, характеризуются энергетическими параметрами излучения и их пространственным распределением. Эффективность таких систем, в том числе линзовых светофорных СД- систем, определяется отношением светового потока на выходе из оптической системы к входящему (от источника). В случае применения ЛН (например, типа ЖС12-15+15) линзовым комплектом (ЛК) светофора утилизируется лишь незначительная доля потока лампы (не более 30%), поскольку ее фотометрическое тело практически идентично сфере (с углом излучения 4p ср). При таких условиях лампа на основе СД-излучателя (например, RSL [1]), имеющая пространственный угол излучения 2p ср, оказывается существенно эффективнее, поскольку линзовый комплект в этом случае использует практически 80–90% ее светового потока. Учитывая то обстоятельство, что СД-излучатель имеет как минимум на порядок большую световую отдачу, чем у ЛН, можно сделать вывод о том, насколько центральный источник в виде СД-лампы эффективнее и может иметь значительно меньшую потребляемую мощность при обеспечении идентичных фотометрических характеристик. Однако если осуществить пропорциональный переход от светового потока к силе света сигналов, которая как раз и нормируется в соответствующих НД (ГОСТ Р 56057-2014), в случае с угловым распределением всего в несколько градусов, когда весь световой поток сосредоточен в пределах этого угла, с учетом большого расстояния фотометрирования (наблюдения), можно считать этот угол элементарным, а содержащийся в его пределах световой поток — вырожденным в векторную величину (силу света). На расстоянии 700–1000 м размер пятна освещенности от такого источника составит десятки квадратных метров, и при условии корректной юстировки сигнала светофора, когда область наблюдения сигнала существенно меньше этого пятна, неравномерностью в пределах области наблюдения можно пренебречь. Поэтому освещенность сетчатки глаз наблюдателя (машиниста) будет определяться формулой (1) в зависимости от расстояния от светофора и силы света его сигнала:

Е = I_v / r² [лк],                   (1)

где I_v — сила света, r — расстояние от светофора.

Однако самым важным обстоятельством при оценке фактора ослепления является яркость сигнала, которую, собственно, и воспринимает машинист и которая при определенных значениях может вызвать «перегрузку» его зрительного аппарата. Это и будет расценено как ослепление. Яркость самого сигнала светофора не зависит от расстояния от него, однако можно считать, что яркость поля зрения, в которое попадает сигнал, будет пропорциональна площади этого поля, к которой отнесена и сила света сигнала в направлении наблюдения. Площадь поля зрения (для оценки эффекта) может быть определена через угол зрения «стандартного наблюдателя МКО для дневного зрения», равный 1°, и расстояние до объекта. При таком условии следует считать, что яркость фона отсутствует, что вполне реально при ночных условиях, либо она может быть учтена в светлое время суток [2]. Таким образом, рассчитать ее значение удобно по формуле (2).

За направление отсчета принято расстояние наблюдения 1000 м.

L = I_v / (tg (0,5°) × r)² × p [кд/м²],    (2)

где I_v — сила света, r — расстояние от светофора.

Однако диаграмма распределения силы света сигнала, кроме зоны максимума в центре (с любым типом источника, форма показана на рис. 2а), имеет способность создавать существенную освещенность участков, в которых значение силы света хотя и значительно меньше (углы излучения по уровням 0,5I_vmax — нормируются ГОСТ Р 56057-2014, или 0,1I_vmax — углы, которыми ограничено не менее 90% светового потока всего сигнала), но при условии меньшего расстояния.

Рис. 2. Относительные диаграммы распределения силы света основных плоскостей излучения сигнала светофора с угловым распределением по ГОСТ Р 56057-2014:
а) требуемый диапазон диаграмм лежит между синей и красной кривой (табл. 1);
б) его схематическое расположение на ж/д путях при условии наблюдения машинистом с различного расстояния

На рис. 2б отмечены углы наблюдения светофора машинистами на различном расстоянии от него, при условии, что юстировка (нулевое направление) была выполнена для расстояния 1000 м (что, в основном, требуется при установке мачтового светофора на магистральном направлении). Эти же углы отмечены на диаграммах рис. 2а, и показаны относительные значения силы света, соответствующие этим углам на диаграммах. Можно заметить, что эти значения существенно отличаются, соответственно, отличаться будут и значения освещенности в плоскости глаз машиниста при прочих равных условиях. Однако в вертикальной плоскости (плоскости изменения угла наблюдения сигнала машинистом при движении локомотива) диаграмма сигнала с центральным источником света на основе ЛК имеет вид зеленой кривой на рис. 2а, а в горизонтальной плоскости — синей на том же рисунке. Визуально форма пятна освещенности источника с таким набором диаграмм, формирующих фотометрическое тело овального вида (представляющего собой проекцию нити накала ЛН или линейки СД), показана на рис. 3. Следует отметить, что сигнал светофора на основе СД-матрицы (например, ССС), чтобы обеспечить требования ГОСТ Р 56057-2014 по углу излучения, будет иметь в основе фотометрического тела практически ровный конус с образующей в виде диаграммы синего цвета (рис. 2а) либо в диапазоне между синей и красной кривой. Именно это обстоятельство является причиной значительной разницы в сформированной освещенности в плоскости глаз машиниста при приближении к светофору и создании эффекта ослепления сигналом с большей силой света, имеющейся у матричного сигнала.

Принимая во внимание вышесказанное, сравним параметры излучателей с центральным и матричным источником излучения в контексте создания возможных условий для ослепления. Следуя ГОСТ Р 56057-2014 (и измерениям реальных образцов), угол рассеяния ССС мачтового и карликового светофоров в горизонтальной и вертикальной плоскости, в зависимости от типа светофора, должен быть в пределах значений, указанных в таблице 1.

В нашем примере будут участвовать мачтовые светофоры как наиболее типичные для описания эффекта ослепления, прототипы их диаграмм указаны на рис. 1а. У сигнала с центральным источником этот угол по уровню 0,5I_vmax равен ±2°…±4° в горизонтальной и до ±1,5° в вертикальной плоскости соответственно [3] (синяя (горизонтальная плоскость) и зеленая (вертикальная плоскость, для расчетов принято распределение с углом ~±1,2°) кривые на рисунке 2а, визуализация — рис. 3). Учитывая требование ГОСТ Р 56057-2014 по значению максимальной силы света сигналов различных цветов на основе матричных СД-источников (табл. 2), например, для желтого мачтового сигнала в дневном режиме I_vmax = 20 000 кд, и пользуясь диаграммами, приведенными на рис. 1а, по формуле (1) можно рассчитать значение максимальной освещенности на различном расстоянии локомотива от светофора.

Рис. 3. Визуализация формы пятна освещенности от сигнала светофора с центральным источником:
а) лампой RSL (проекция светодиодной линейки);
б) лампой накаливания ЖС12-15+15 (проекция нити накала);
в) 3D-график освещенности поверхности от него на расстоянии 1000 м

На расстоянии 50 м (для других расстояний вся экспозиция сигналов приведена в таблице 3) площади облучаемой поверхности при условии диаграммы синего и красного цветов (рис. 2а) равны 38,24 и 6,68 м² соответственно, а максимальная освещенность от сигнала в этих полях с учетом угла наблюдения машиниста локомотива (2,72°, рис. 2б, формула 1) составит:

Е₅₀ = (0,02 × 20 000 кд) / 50²,

Е₅₀ = 0,16 лк, для диаграммы зеленого цвета (рис. 2а);

Е₅₀ = (0,11 × 20 000 кд) / 50²,

Е₅₀ = 0,88 лк,для диаграммы красного цвета (рис. 2а);

Е₅₀ = (0,73 × 20 000 кд) / 50²,

Е₅₀ = 5,84 лк,для диаграммы синего цвета (рис. 2а).

В то же время площадь поля зрения, в которое попадает сигнал светофора с соответствующей силой света в направлении машиниста (рис. 2б), при расстоянии 50 м составит 0,636 м². Тогда яркость, рассчитанная по формуле (2), составит:

• 670 кд/м² для диаграммы зеленого цвета (рис. 2а);
• 3700 кд/м² для диаграммы красного цвета (рис. 2а);
• 24500 кд/м² для диаграммы синего цвета (рис. 2а);

По приведенным в таблице 3 расчетам можно заметить, что нормируемое ГОСТ Р 56057-2014 угловое распределение сигналов светофоров на основе светодиодных матриц (табл. 1) позволяет формировать яркость сигналов, воспринимаемую глазом машиниста на близких расстояниях от светофора в пределах 3700–24 500 кд/м². Причем очевидно, что яркость фона при таких значениях играет несущественную роль даже в ясный солнечный день или при положении солнца на горизонте в направлении зрения машиниста. В то время как яркость сигнала от традиционного линзового комплекта с центральным источником света (на основе ЛН или лампы RSL) на этих же расстояниях отличается от номинальной (на расстоянии 1000 м) всего в три раза, при этом сохраняя достаточную равномерность на всем протяжении дистанции, яркость сигнала на матричных СД-источниках возрастает с той же точки отсчета на 2,5 порядка величины. Разница очевидна без комментариев.

По общим понятиям, ослепление происходит, когда в поле зрения находится яркий источник света; результатом этого является существенное подавление способности различать предметы. Максимальная переносимая (болевой порог) яркость при прямом наблюдении составляет 7500 кд/м². Данные, приведенные в таблице 3, показывают, что этот порог при большинстве реальных условий расчетов многократно превышен у светофоров на основе матричных источников света (типа ССС). При скорости прохождения участка, заканчивающегося светофором, около 80–100 км/ч время воздействия ослепления машиниста составит 3–5 с. Однако если речь идет о желтом сигнале (как в нашем примере), то машинист вряд ли проедет его с такой скоростью, поскольку желтый означает, что второй, следующий за этим светофором, участок дороги занят. А это однозначно требует снижения скорости перед ним, что влечет за собой соответствующее увеличение времени его прохождения и воздействия указанного ослепления. В ночное время резкая периодическая смена запредельных яркостных стимулов, повторяющаяся в течение длительного времени стажа работы машиниста, по мнению офтальмологов, может привести к отслоению сетчатки. Подобная ситуация имеет место на метрополитене, где описанная ситуация с расчетами яркости наиболее корректна с точки зрения отсутствия яркости фона сигналов (темнота тоннеля). Однако в этом случае значительную долю вклада в указанный риск повреждения органа зрения вносит также периодическая яркая и контрастная засветка при быстром въезде на освещенные станции метрополитена.

Таким образом, можно сделать вывод, что в упомянутом ГОСТ Р 56057-2014, на основе требований которого были приведены обозначенные выше расчеты, уже заложено полученное ослепление от светофоров при приближении к ним. Стоит заметить, что неточность в юстировке сигналов на месте расположения светофора может привести к значительному увеличению полученных в расчетах значений яркости и, соответственно, более существенному воздействию эффекта ослепления на машиниста.