Какво трябва да знаете за LED светофарите
АЗ СЪМ В. Рябец, д.ф.н. техн. науки, Ръководител на отдела на Центъра за безопасност на движението и автоматизирани системи на отдела на КАТ на Министерството на вътрешните работи на Украйна
Проблемът с икономичното използване на енергийните ресурси рязко увеличи интереса към създаването на сигнално и осветително оборудване и по-специално светофари, базирани на светодиоди. В Украйна, както и в целия свят, в момента има постепенна замяна на светофарите от лампи с нажежаема жичка към светофари със светодиоди (LED).
Използването на нови LED светофари вместо остарелите с лампи с нажежаема жичка може значително да намали потреблението на енергия и оперативните разходи за обслужване на светофари, както и значително да подобри безопасността на пътя. Достатъчно е да се каже, че замяната на лампи с нажежаема жичка от 100 W със светодиоди в светофарите за контрол на трафика спестява електроенергия 8-10 пъти. В допълнение, светодиодите имат висока надеждност и дълъг експлоатационен живот. Те са екологични, имат по-висока механична якост и скорост, а малките размери и липсата на значително прегряване на елементите позволяват по-гъвкаво проектиране на продукти, базирани на тях.
В Украйна има местни производители на светофари, базирани на интегрирани светодиодни матрици, което направи възможно преминаването към производството на интелигентни светлинно-оптични системи от последно поколение, включващи използването на микропроцесорно управление. В същото време по нашите пътища се монтират значителен брой светофари, сглобени на модули на чуждестранни компании, които използват централен източник на светлина върху ултраярки светодиоди. Трябва да се отбележи, че вносителите на чуждестранни модули и кутии, които всъщност извършват само „монтаж с отвертка“, се позиционират катоместни производители и представят продуктите си на пазара под собствени търговски марки. С оглед на това в тази статия бих искал да се спра по-подробно на фундаменталната разлика между LED матрични светофари, базирани на 100-140 единици 5-mm светодиоди с интензитет на светлината 3-8 cd и светофари с внесени LED модули. Тези модули включват няколко ултра-ярки светодиода, които са разположени в центъра на оптичната система, и леща, фокусираща светлинния поток, основно леща на Френел (използвана в светофари от 30-те години на миналия век).
Един от основните показатели за всяко устройство е неговият експлоатационен живот. Матричните светофари са безспорен лидер по този въпрос, тъй като експлоатационният живот на техните светлоизлъчващи елементи е 3,5 - 4 пъти по-дълъг от този на светофарите с централен източник на светлина върху ултра ярки светодиоди и фокусираща леща. Сега, според официалните данни на производителите на светодиоди, ресурсът на светодиодите с интензитет на светлината 3-8 cd е най-малко 200 хиляди часа, а ресурсът на суперярките светодиоди е около 50-60 хиляди часа. Даденият ресурс на светодиодите осигурява непрекъсната работа на матрични светофари най-малко 20 години, а ресурсът на светофари с централен източник на светлина и фокусираща леща е около 6-7 години.
Светофарните модули с централен светлинен източник съдържат 3-7 ултраярки светодиода и повредата дори на един от тях значително влияе върху работата на светофара, тъй като интензитетът на аксиалната светлина на сигнала на светофара е значително намален и светофарът престава да отговаря на стандартите на Украйна, които определят техническите изисквания за осветителните устройства за контрол на трафика. От своя страна в модулите на матричните светофари, които съдържат над 100 брсветоизлъчващи елементи, светодиодите се включват по такъв начин, че повреда до 20% от техния брой не води до намаляване на яркостта на модула, поради компенсиране на светлинния поток от други светодиоди. Светофар с такъв модул ще продължи да изпълнява функциите си в съответствие с всички изисквания на нормативните документи.
Освен това е известно, че човешкото око възприема яркостта на блясъка на светлинен източник в съответствие с осветеността (E) на изображението на този източник върху ретината, което според [1] се определя:
Тоест човешкото око възприема намаляване на яркостта на точков светлинен източник пропорционално на квадрата на разстоянието. По този начин сигналът на светофарния модул, излъчван от централен светлинен източник с фокусираща леща, се възприема от разстояние 100 m 4 пъти по-малко ярко, отколкото от разстояние 50 m, а от разстояние 200 m - 16 пъти по-малко ярко. Ако светлинният източник е равномерно разпределен и ъгловият размер на източника на светлина е не по-малък от дъгова минута, тогава осветяването на изображението върху очите на ретината се определя съгласно [2]:
От формулата може да се види, че възприемането на яркостта на блясъка на разпределен източник на светлина не зависи от разстоянието на наблюдение. Тъй като тази формула е правилна, ако ъгловият размер на източника на светлина е поне минута, лесно е да се изчисли съответното разстояние:
където D е диаметърът на светлинния източник.
При D = 200 mm, l = 688 m; при D = 300 mm, l = 1032 г. Тоест с диаметъризходната повърхност на сигнала на светофара е 200 mm, сигналът на матричния светофар се възприема еднакво ярко на разстояние до 688 m и съответно до 1032 m с диаметър 300 mm. И при по-голямо разстояние, намаляване на яркостта също ще се възприема пропорционално на квадрата на разстоянието, но спрямо разстояние от 688 m (за диаметър 200 mm) или 1032 m (за диаметър 300 mm). В същото време светофар с централен източник на светлина и фокусираща леща от разстояние 688 m (за диаметър 200 mm) или 1032 m (за диаметър 300 mm) ще се възприема 189 пъти по-малко ярко, отколкото от разстояние 50 m.
Трябва също да се отбележи, че националният стандарт на Украйна DSTU 4092-2002 установява определени изисквания за разпределението на светлината на светофарите, т.е. интензитет на светлинните сигнали под различни ъгли. Такова разпределение на светлината е доста трудно да се осигури с централен източник на светлина и една фокусираща леща. В резултат на това голяма част от светофарите с разглежданите модули не отговарят на стандарта за този параметър и следователно не могат да осигурят необходимата видимост на светофарите при посочените в стандартите ъгли, което на практика води до влошаване на страничната видимост на светофарите и съответно до намаляване на пътната безопасност. В същото време използването на конструктивни характеристики на светодиодите и тяхното рационално разположение върху матрицата ни позволява да отговорим на всички нормативни изисквания на националните стандарти. Тъй като LED матрицата е специално разработена за използване в светофари, техните основни светлинни параметри, като аксиален светлинен интензитет, разпределение на светлината, доминираща дължина на вълната на излъчване, координати на цвета на сигнала, напълно отговарят на изискванията на гореспоменатия стандарт.
По този начин използването на светодиодни матрици вместо лампи с нажежаема жичка или централен източник на светлина на базата на суперярки светодиоди в осветителните устройства позволява не само да се подобрят параметрите им на осветление, значително да се увеличи експлоатационният им живот и да се намалят общите разходи, но и да се премине към следващото поколение интелигентни осветителни устройства. Това значително ще намали потреблението на ресурси за работа на светофарите и същевременно ще подобри безопасността и качеството на управление на трафика.
Статия в сп. "Свитло Лукс" № 3, 2013 г. Чл. 38-39