ЮИД России РФ 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).
Светодиодные дорожные светофоры имеют ряд весомых преимуществ перед простыми светофорами. Применение новых светодиодных светофоров и светодиодных светоблоков для замены оптической системы с лампами накаливания позволяет существенно снизить энергопотребление и эксплуатационные затраты на обслуживание светофорных объектов, а также повысить безопасность дорожного движения. Транспортные светофоры, пешеходные светофоры, дорожные контроллеры и пульты управления, дорожные знаки позволяют качественно и безопасно управлять движением автотранспорта на перекрестках, магистралях, шоссе и улицах, помочь в обучении автолюбителей на автогородках. Обезопасить пешеходов при пересечении дорог, создать комфортные условия для водителей на дорогах. Дорожные транспортные и пешеходные светофоры , сигнальные и с отсчетом времени выпускаются различных модификаций (Ø100, Ø200, Ø300 мм). Дорожные светофоры, контроллеры, знаки, а также дополнительные секции (стрелки), отдельные светодиодные модули вы и другое оборудование для обеспечения безопасности дорожного движения можете приобрести позвонив по телефонам компании или направив запрос по электронной почте.
Взрывозащищённые светосигнальные приборы и светофоры вы можете заказать на сайте нашей компании www.disprom.ru
Заказать и купить транспортные и пешеходные светофоры, вы можете в ООО “Индустрия Света” запрос по электронной почте или позвонив по телефонам компаниии.
Мы доставляем светофоры в любой регион России. Светодиодные светофоры купить в Индустрии Света легко, надежно, гарантировано.
Технология изготовления светофорных модулей
Технология изготовления светофорных модулей может различаться в зависимости от производителя и конкретной модели. Однако, в целом, процесс изготовления светофорных модулей включает следующие этапы:
Кроме того, производители могут использовать различные технологии, такие как SMD (Surface-Mount Device) или COB (Chip-On-Board), для установки светодиодов и других компонентов в светофорные модули.
Гарантия на светофорные модули
Гарантия на светофорные модули может различаться в зависимости от производителя и конкретной модели. Обычно гарантийный срок на светофорные модули составляет от 1 до 3 лет.
Гарантия может предоставляться на следующие аспекты:
Однако, важно учитывать, что гарантийный срок не распространяется на повреждения, вызванные неправильной установкой, использованием неподходящих крепежных элементов или другими действиями, не соответствующими инструкциям производителя. Поэтому, перед установкой светофорных модулей, важно внимательно ознакомиться с инструкциями производителя и соблюдать рекомендации по установке и эксплуатации.
Экономика и экономия
Несколько слов о плавности и простоте перехода на предлагаемые светодиодные лампы. Регламент обслуживания светофоров на лампах ЖС12-15+15 предполагает их замену через каждые 1,5 месяца, вне зависимости от того, перегорела она или нет. Получается 9 замен в год, еще 1 выезд бригады приходится на нештатную замену из-за перегорания нити. Еще 2 выезда в год предусмотрены на очистку оптики от загрязнения. В сумме, при несовпадении причин выезда бригад, получается 12 выездов к одному светоблоку одного светофора в год.
К светофору со светодиодной лампой необходимы только 2 выезда в год — для очистки оптики, и так может продолжаться до 6 лет. Таким образом, применение представляемой лампы экономит до 60 выездов бригады обслуживания минимальной стоимостью 600 руб./ выезд (36 000 руб.), не считая стоимости 54 замененных ламп ЖС12-15+15 за эти 6 лет (около 2000 руб.). При соответствующем развитии системы СЦБ можно еще и экономить электроэнергию (не менее чем в 2 раза по сравнению с лампой накаливания). Однако потенциал экономии не заканчивается и на этом.
В результате реальный светофор с замененной лампой и не откорректированным в связи с этим ЛК не обеспечивает требуемой силы света и заданного направления луча. Отсюда — существенная потеря верности восприятия сигнала машинистом и высокая угроза безопасности движения поездов. В то время как светодиодная лампа, установленная в ЛК, не требует его юстировки из-за большого запаса по силе света и существенно более жесткого геометрического положения «тела накала» от образца к образцу в заданном местоположении в отличие от лампы накаливания.
Основные преимущества представленной разработки:
Два рельса прогресса на шпалах науки
Однако совершенно понятно, что изменение концепции всей инфраструктуры применения нового предмета куда значительнее продвигает этот предмет с точки зрения перспектив его дальнейшего развития и фундаментальности. Но не стоит забывать, что применение всякого усовершенствования должно быть целесообразно и оправдано как с технической точки зрения, так и с экономической. Если имеется распространенный, используемый повсеместно, да еще жестко регламентированный стандартом к применению продукт, технические усовершенствования в котором «назрели», но кардинальная замена, предлагаемая неким современным прогрессивным решением, оказывается труднореализуемой и дорогой, то удобнее «переместить Магомеда к горе» и попытаться решить поставленную задачу более остроумно.
Таким примером может служить предлагаемая лампа для ж/д-светофоров на основе полупроводниковых излучающих кристаллов, полностью заменяющая существующую, но при этом сохраняющая все преимущества светодиода перед лампой накаливания (срок службы, высокая светоотдача, минимальное потребление, стабильность параметров и др.) и не требующая абсолютно никаких изменений в конструкции светофора и интерфейса управления в системе СЦБ. То есть условие ее применения — простая установка вместо прежней лампы, как замена лампочки в люстре: одну выкрутил, другую вкрутил. И все.
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.
Во время появления квазимонохромных светодиодных источников излучения с достаточной силой света группой авторов был получен патент № 2134000 от 31.12.1997 на конструкцию уникального светодиода с углом излучения 3° (рис. 6).
Рис. 6. Светодиоды с линзой Френеля, нанесенной на крышку из поликарбоната, и двойным углом излучения по уровню 0,5I — 3°:а) схема;б, в) внешний вид
На основе таких светодиодов появились монохромные источники излучения кластерного типа, более-менее соответствующие техническим требованиям МПС. Поэтому системы светооптические светодиодные (ССС) производства фирмы «Корвет-Лайтс» (рис. 7) состояли из светодиодной матрицы без вторичной оптики, что выгодно отличало их от изделия ближайшего конкурента — ССС компании «ИРСЭТЦентр».
Рис. 7. Системы светодиодные светооптические ССС производства «Корвет-Лайтс» на основе светодиодов, показанных на рис. 6
Вместе с тем фундаментальные физические свойства большинства полупроводниковых светодиодных источников излучения снижают эффективность применения монохромных кластерных источников света. Это можно заметить на графиках (рис. 4), где представлена зависимость ключевых, нормируемых стандартом, параметров светодиодов от температуры. Видно, что для того, чтобы удовлетворить требованиям нормативных документов, полупроводниковым монохромным источникам света необходима стабилизация температуры p-n-перехода в некоторой области температур, вне зависимости от температуры окружающей среды. С этой целью в 2004–2006 гг. была предпринята попытка разработать лампу на основе светодиодных источников света — полный аналог лампы накаливания ЖС12-15+15. В конструкции лампы был применен электрический способ переноса тепла от p-n-перехода к радиатору посредством использования эффекта Пельтье (патент № 2008129653).
Однако наличие большого количества электронных компонентов и связанные с этим технологические проблемы не позволили довести данный проект до логического завершения. Одновременно появились светодиодные источники света достаточной мощности излучения в диапазоне длин волн 450–470 нм, представляющие собой основу для построения излучателей по системе кристалл–люминофор. Применение подобных полупроводниковых излучателей, очень слабо зависимых по физическим параметрам от изменения внешней температуры (рис. 4), позволяет решить проблему изменения координат цветности и значения силы света светосигнальных устройств на их основе в заданном интервале температур. Поэтому единственным в настоящее время рациональным решением проблемы применения полупроводниковых источников света для ж/д-светофоров является применение полупроводниковых излучателей диапазона 450–460 нм. Именно таким устройством является лампа для ж/д-светофоров на основе светодиодных источников света (рис. 8).
Рис. 8.а) Светодиодная лампа; б) применение светодиодной лампы в линзовом комплекте ж/д-светофора
Помимо стабильности координат цветности и интенсивности излучения во всем диапазоне рабочих температур, она обладает следующими особенностями:
Является экологически чистым продуктом, подлежащим практически 100%-ной утилизации (корпус лампы выполнен из алюминиевого сплава).
Переезд оснащен барьерами-автоматами. Можно объехать, но лучше подождать, когда опустятся
Рис. 1. Лампа ЖС12-15+15
Рис. 2. Работа оптических систем линзовых комплектов
Пояснением к сказанному о «механизме» работы линзового комплекта может стать полная иллюстрация спектрального распределения некоторых светоблоков на основе ламп, представленная на рис. 3. На графиках видно, как работает светофильтр линзового комплекта и как с его помощью из исходного спектра лампы (кривая source base и кривая base как результат свертки с кривой видности V(λ)) формируется необходимый спектр соответствующего цвета сигнала (кривая source test и test как результат его свертки с кривой видности V(λ)). Такой вид семейств спектрального распределения показывает, что лишь малая его доля от исходного используется в формировании светового сигнала светоблока.
Рис. 3. Спектральные характеристики светоблоков светофоров на основе линзовых комплектов и механизм их формирования из исходного излучения ламп накаливания:а) красный,б) зеленый
Однако, помимо штатного режима работы светофора при напряжении ~12 В, на железной дороге существуют такие режимы, как ночной (питание светофора снижается на 25%) и маскировочный (1% значения силы света в дневном режиме). Эти режимы светофоров на ЛК являются хорошим примером, демонстрирующим преимущество динамических характеристик светодиодов, внедряемых в систему СЦБ в настоящее время. Ночной режим выполняется при напряжении питания 9–10,5 В переменного тока (номинальное напряжение — 12 В, 50 Гц). При понижении питания у лампы накаливания не только изменяется интенсивность излучения, но и на 300–400 К снижается температура нити накала. Спектр излучения сдвигается в сторону длинных волн по закону Вина (1):
λmax = 0,002898/T, (1)
где T — температура в кельвинах, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.
Рис. 4. Температурная зависимость ключевых параметров светодиодов различных цветов свечения
Еще 10 лет назад так близко расположенное от цели техническое решение с применением монохромных светодиодов в светофорах, устраняющее все проблемы восприятия цвета, долговечности и надежности, оказалось не таким простым в его воплощении и до сих пор не нашло массового применения на железной дороге. Однако в это же время ученые размышляли о применении в качестве опорных источников света светодиодов белого цвета свечения, построенных по системе кристалл-люминофор с использованием штатного линзового комплекта с соответствующим светофильтром. Успехи в технологии производства мощных белых светодиодов позволили обеспечить не только заданную силу света светофоров, но и цветовые характеристики, которые в первую очередь подвергались сомнению.
Современные белые светодиоды имеют широкий выбор различного спектрального состава излучения, как оказалось, в больших пределах подходящего для использования в светофорах и штатной линзовой системе. На рис. 5 приведен пример работы линзового комплекта зеленого сигнала, показанного на рис. 3б, но с применением белого светодиода в качестве источника света. Светофильтр линзового комплекта (кривая source test), исходный спектр светодиода (кривые base и source base), спектр зеленого цвета сигнала (кривая test) показаны также на основе лампы накаливания на рис. 3б.
Рис. 5. Пример спектральных характеристик светоблока светофора на основе линзового комплекта и механизм их формирования из исходного излучения светодиода белого цвета свечения с ССТ = 4500 К
Можно заметить, что в этом случае световой поток источника используется почти в 2,5 раза эффективнее (сноска test/base в левом верхнем углу графиков рис. 3б и 5, показывающая процентное отношение светового потока полученного сигнала и исходного). Это говорит о том, что при условии равенства потоков лампы и светодиода, из-за особенности спектрального распределения излучения последнего, сила света сигнала будет приблизительно во столько же раз больше при полной идентичности «весовой» доли спектра относительно V(λ) (сноски ΔVtest на рис. 3б и 5).
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:
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:
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.
Рис. 1. Светооптическая система производства ЗАО «НПО РоСАТ»
ЗАО «Транс-Сигнал»
Рис. 2. Светооптическая система производства ЗАО «Транс-Сигнал»
ОАО «ПО УОМЗ»
ССС данного производителя включает в себя:
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.
Рис. 3. Светооптическая система производства ОАО «ПО УОМЗ»
Отрицательные стороны результатов внедрения
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.
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).
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.
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).
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).
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?»
Ожидаемые положительные результаты разработки и внедрения
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.