Что надо знать о светодиодных светофорах

Я.В. Рябец, канд. техн. наук,
начальник отдела Центра безопасности движения
и автоматизированных систем Департамента ГАИ МВД Украины


Проблема экономного использования энергоресурсов резко повысила интерес к созданию сигнально-осветительной техники и, в частности, светофоров на основе светодиодов. В Украине, как и во всем мире, в настоящее время происходит постепенная замена светофоров с лампы накаливания, на светофоры со светоизлучающими диодами (СИД).

Применение новых светодиодных светофоров вместо устаревших с лампами накаливания позволяет существенно снизить энергопотребление и эксплуатационные затраты на обслуживание светофорных объектов, а также существенно повысить безопасность дорожного движения. Достаточно сказать, что замена ламп накаливания мощностью 100 Вт светодиодами в дорожных светофорах для управления дорожным движением даёт экономию электроэнергии в 8-10 раз. К тому же светодиоды имеют высокую надежность и большой ресурс работы. Они экологически чисты, имеют более высокие механическую прочность и быстродействие, а малые габариты и отсутствие значительного перегрева элементов позволяет более гибко конструировать изделия на их основе.

В Украине есть отечественные производители светофоров на интегральных светодиодных матрицах, которые позволили перейти к производству интеллектуальных светооптических систем последнего поколения, предусматривающих использование микропроцессорного управления. В месте с тем на наших дорогах устанавливается немалое количество светофоров, собранных на модулях зарубежных фирм, в которых используется центральный источник света на сверхярких светодиодах. Необходимо отметить, что импортеры заграничных модулей и корпусов, по сути выполняющие только «отверточную сборку», позиционируют себя как отечественные производители и представляют свою продукцию на рынке под собственными торговыми марками. Ввиду этого, в данной статье хотелось бы более подробно остановиться на рассмотрении принципиальной разницы между светодиодными матричными светофорами на основе 100-140 единиц 5-мм СИД с силой света 3-8 кд и светофорами с импортными светодиодными модулям. Данные модули имеют в своем составе несколько сверхярких светодиодов, которые размещены в центре оптической системы, и фокусирующую световой поток линзу, преимущественно линзу Френеля (используемую в ламповых светофорах еще с 30-х годов прошлого столетия).

Одним из основных показателей любого прибора, является срок его службы. И в этом вопросе бесспорным лидером являются матричные светофоры, так как ресурс работы их светоизлучающих элементов в 3,5 - 4 раза больше чем у светофоров с центральным источником света на сверхярких светодиодах и фокусирующей линзой. Сейчас, согласно официальным данным производителей СИД, ресурс светодиодов с силой света 3-8 кд составляет не менее 200 тыс. часов, а ресурс сверхярких светодиодов порядка 50–60 тыс. часов. Приведенный ресурс светодиодов обеспечивает бесперебойную работу матричных светофоров в течении не менее 20 лет, а ресурс светофоров с центральным источником света и фокусирующей линзой около 6-7 лет.

Модули светофоров с центральным источником света содержат 3-7 сверхярких светодиодов, и отказ даже одного из них существенно влияет на работоспособность светофора, так как осевая сила света сигнала светофора значительно уменьшается и светофор перестает соответствовать стандартам Украины, определяющим технические требования к светосигнальным устройствам управления дорожным движением. В свою очередь, в модулях матричных светофоров, которые содержат более 100 светоизлучающих элементов, светодиоды включены таким образом, что выход из строя до 20 % от их количества не приводит к снижению яркости свечения модуля, за счет компенсации светового потока другими светодиодами. Светофор с таким модулем будет и дальше выполнять свои функции в соответствии со всеми требованиями нормативных документов.

Кроме того, известно, что глаз человека воспринимает яркость свечения источника света в соответствии освещенностью (Е) изображения этого источника на сетчатке глаза, которая согласно [1] определяется:formula 1где І – осевая сила света источника;
l – расстояние до источника света;
φ – угол падения света.

То есть глаз человека воспринимает, уменьшение яркости точечного источника света пропорционально квадрату расстояния.
Таким образом, сигнал светофорного модуля, излучаемый центральным источником света с фокусирующей линзой, воспринимается с расстояния 100 м в 4 раза менее ярким, чем с расстояния 50 м, а с расстояния 200 м - в 16 раз менее ярким.
Если же источник света является равномерно распределенным и угловой размер источника света не меньше угловой минуты, то освещенность изображения на сетчатке глаза определяется согласно [2]: formula 2где τ0 – коэффициент пропускання среды глаз;
d – диаметр зрачка глаза;
f – переднее фокусное расстояние глаза;
В – яркость источника света;
D – диаметр источника света;
І – осевая сила света.

Из формулы видно, что восприятие яркости свечения распределенного источника света не зависит от расстояния наблюдения. Поскольку эта формула верна, если угловой размер источника света не меньше минуты, несложно рассчитать соответствующее расстояние:formula 3

где D – диаметр источника света.

При D = 200 мм, l = 688 м; при D = 300 мм, l = 1032 г. То есть при диаметре выходной поверхности сигнала светофора 200 мм сигнал матричного светофора воспринимается одинаково ярким на расстоянии до 688 м и соответственно до 1032 м при диаметре 300 мм. А при большем расстоянии так же будет восприниматься уменьшение яркости пропорционально квадрату расстояния, но относительно расстояния 688 м (для диаметра 200 мм), или 1032 м (для диаметра 300 мм). В то же время сигнал светофора с центральным источником света и фокусирующей линзой с расстояния 688 м (для диаметра 200 мм), или 1032 м (для диаметра 300 мм) будет восприниматься в 189 раз менее ярким, чем с расстояния 50 м.

Так же следует отметить, что национальным стандартом Украины ДСТУ 4092-2002 установлены определенные требования к светораспределению сигналов светофоров, т.е. силе света сигналов под различными углами. Такое светораспределение достаточно сложно обеспечить при центральном источнике света и одной фокусирующей линзе. Вследствие чего большая часть светофоров с рассматриваемыми модулями не соответствует стандарту по данному параметру и, следовательно, они не могут обеспечивать требуемую видимость сигналов светофора под указанными в нормативах углами, что на практике приводит к ухудшению боковой видимости сигналов светофора и соответственно к снижению безопасности дорожного движения. В то же время, использование конструктивных особенностей светоизлучающих диодов и их рациональное расположение на матрице, позволяет выдерживать все нормативные требования национальных стандартов. Так как светодиодная матрица специально разрабатывалась для применения в светофорах, то их основные светотехнические параметры, такие как осевая сила света, светораспределение, доминантная длина волны излучения, координаты цветности сигналов, полностью соответствуют требованиям вышеназванного стандарта.

Таким образом, использование светодиодных матриц вместо ламп накаливания или центрального источника света на основе сверхярких светодиодов в светосигнальных устройствах позволяет не только улучшить их светотехнические параметры, существенно увеличить срок службы и снизить общие затраты, но и перейти также к следующему - интеллектуальному поколению светосигнальных устройств. Это позволит значительно сократить потребление ресурсов на эксплуатацию светофоров и при этом повысить безопасность и качество управления дорожным движением.

Литература:
1. Глаз и свет. Луизов А.В.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние.- 1983.
2. Физическая энциклопедия. в 5-ти томах. – М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров, 1983.

Статья в журнале «Світло Люкс» № 3 2013 г. ст. 38-39