Що треба знати про світлодіодні світлофори
Я В. Рябець, канд. техн. наук, начальник відділу Центру безпеки руху та автоматизованих систем Департаменту ДАІ МВС України
Проблема економного використання енергоресурсів різко підвищила інтерес до створення сигнально-освітлювальної техніки та, зокрема, світлофорів на основі світлодіодів. В Україні, як і в усьому світі, нині відбувається поступова заміна світлофорів з лампи розжарювання, на світлофори зі світловипромінюючими діодами (СІД).
Застосування нових світлодіодних світлофорів замість застарілих з лампами розжарювання дозволяє суттєво знизити енергоспоживання та експлуатаційні витрати на обслуговування світлофорних об'єктів, а також суттєво підвищити безпеку дорожнього руху. Досить сказати, що заміна ламп розжарювання потужністю 100 Вт світлодіодами у дорожніх світлофорах для керування дорожнім рухом дає економію електроенергії у 8-10 разів. До того ж світлодіоди мають високу надійність та великий ресурс роботи. Вони екологічно чисті, мають більш високу механічну міцність та швидкодію, а малі габарити та відсутність значного перегріву елементів дозволяє гнучкіше конструювати вироби на їх основі.
В Україні є вітчизняні виробники світлофорів на інтегральних світлодіодних матрицях, які дозволили перейти до виробництва інтелектуальних світлооптичних систем останнього покоління, які передбачають використання мікропроцесорного керування. На наших дорогах встановлюється чимало світлофорів, зібраних на модулях зарубіжних фірм, в яких використовується центральне джерело світла на надяскравих світлодіодах. Необхідно відзначити, що імпортери закордонних модулів і корпусів, які по суті виконують лише «викруткове складання», позиціонують себе яквітчизняні виробники та представляють свою продукцію на ринку під власними торговими марками. Зважаючи на це, у цій статті хотілося б докладніше зупинитися на розгляді принципової різниці між світлодіодними матричними світлофорами на основі 100-140 одиниць 5-мм СІД із силою світла 3-8 кд та світлофорами з імпортними світлодіодними модулями. Дані модулі мають у своєму складі кілька надяскравих світлодіодів, які розміщені в центрі оптичної системи, і лінзу, що фокусує світловий потік, переважно лінзу Френеля (використовується в лампових світлофорах ще з 30-х років минулого століття).
Одним із основних показників будь-якого приладу є термін його служби. І в цьому питанні безперечним лідером є матричні світлофори, так як ресурс роботи їх світловипромінюючих елементів в 3,5 - 4 рази більше, ніж у світлофорів з центральним джерелом світла на надяскравих світлодіодах і лінзою, що фокусує. Наразі, згідно з офіційними даними виробників СІД, ресурс світлодіодів із силою світла 3-8 кд становить не менше 200 тис. годин, а ресурс надяскравих світлодіодів близько 50–60 тис. годин. Наведений ресурс світлодіодів забезпечує безперебійну роботу матричних світлофорів протягом не менше 20 років, а ресурс світлофорів з центральним джерелом світла та лінзою, що фокусує, близько 6-7 років.
Модулі світлофорів з центральним джерелом світла містять 3-7 надяскравих світлодіодів, і відмова навіть одного з них суттєво впливає на працездатність світлофора, оскільки осьова сила світла сигналу світлофора значно зменшується і світлофор перестає відповідати стандартам України, що визначає технічні вимоги до світлосигнальних пристроїв керування дорожніми. . У свою чергу, у модулях матричних світлофорів, які містять понад 100світловипромінюючих елементів, світлодіоди включені таким чином, що вихід з ладу до 20 % від їх кількості не призводить до зниження яскравості модуля, за рахунок компенсації світлового потоку іншими світлодіодами. Світлофор з таким модулем і далі виконуватиме свої функції відповідно до всіх вимог нормативних документів.
Крім того, відомо, що око людини сприймає яскравість свічення джерела світла відповідно до освітленості (Е) зображення цього джерела на сітківці ока, яка відповідно до [1] визначається: де І – осьова сила світла джерела; l – відстань до джерела світла; φ – кут падіння світла.
Тобто око людини сприймає, зменшення яскравості точкового джерела світла пропорційно квадрату відстані. Таким чином, сигнал світлофорного модуля, випромінюваний центральним джерелом світла з лінзою, що фокусує, сприймається з відстані 100 м в 4 рази менш яскравим, ніж з рас а з відстані 200 м - у 16 разів менш яскравим. Якщо ж джерело світла є рівномірно розподіленим і кутовий розмір джерела світла не менше кутової хвилини, то освітленість зображення на сітківці ока визначається відповідно до [2]:
З формули видно, що сприйняття яскравості світіння розподіленого джерела світла залежить від відстані спостереження. Оскільки ця формула правильна, якщо кутовий розмір джерела світла не менше хвилини, неважко розрахувати відповідну відстань:
де D – діаметр джерела світла.
За D = 200 мм, l = 688 м; при D = 300 мм, l = 1032 р. Тобто при діаметрівихідний поверхні сигналу світлофора 200 мм сигнал матричного світлофора сприймається однаково яскравим на відстані до 688 м і відповідно до 1032 при діаметрі 300 мм. А при більшій відстані так само сприйматиметься зменшення яскравості пропорційно квадрату відстані, але щодо відстані 688 м (для діаметра 200 мм), або 1032 м (для діаметра 300 мм). У той же час сигнал світлофора з центральним джерелом світла і лінзою, що фокусує, з відстані 688 м (для діаметра 200 мм), або 1032 м (для діаметра 300 мм) буде сприйматися в 189 разів менш яскравим, ніж з відстані 50 м.
Також слід зазначити, що національним стандартом України ДСТУ 4092-2002 встановлено певні вимоги до світлорозподілу сигналів світлофорів, тобто. силі світла сигналів під різними кутами. Такий світлорозподіл досить складно забезпечити при центральному джерелі світла і одній лінзі, що фокусує. Внаслідок чого більша частина світлофорів з модулями, що розглядаються, не відповідає стандарту за даним параметром і, отже, вони не можуть забезпечувати необхідну видимість сигналів світлофора під зазначеними в нормативах кутами, що на практиці призводить до погіршення бічної видимості сигналів світлофора і відповідно до зниження безпеки дорожнього руху. У той же час використання конструктивних особливостей світловипромінюючих діодів та їх раціональне розташування на матриці дозволяє витримувати всі нормативні вимоги національних стандартів. Так як світлодіодна матриця спеціально розроблялася для застосування у світлофорах, їх основні світлотехнічні параметри, такі як осьова сила світла, світлорозподіл, домінантна довжина хвилі випромінювання, координати кольоровості сигналів, повністю відповідають вимогам вищеназваного стандарту.
Таким чином, використання світлодіодних матриць замість ламп розжарювання або центрального джерела світла на основі надяскравих світлодіодів у світлосигнальних пристроях дозволяє не тільки покращити їх світлотехнічні параметри, суттєво збільшити термін служби та знизити загальні витрати, а й перейти також до наступного - інтелектуального покоління світлосигнальних. Це дозволить значно скоротити споживання ресурсів на експлуатацію світлофорів та при цьому підвищити безпеку та якість управління дорожнім рухом.
Стаття у журналі «Світло Люкс» № 3 2013 р. ст. 38-39