СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СВЕТОФОРА С РЕАКТИВНЫМ БАЛЛАСТОМ
LED LAMP FOR RAILWAY TRAFFIC LIGHTS WITH REACTIVE BALLAST

Область техники
Заявляемое изобретение относится к организации и управлению движением на железных дорогах, пути (рельсовые цепи) которых оснащены автоматической и полуавтоматической блокировкой, где в качестве сигнальных установок применяются светофоры.
Уровень техники
На сегодняшний день для подачи световых сигналов применяются светофоры, источниками света в которых являются лампы накаливания либо светодиодные сборки (модули).
При использовании ламп накаливания наблюдается низкая энергоэффективность и требуется частая замена ламп.
При использовании светофоров, выполненных на базе светодиодных модулей:
- Регулируемый светодиодный светофор, патент RU 2249524 С2, B61L 5/18, G08G 1/095, H05B 37/02, 14.01.2003;
- Конденсаторный светодиодный светофор, патент RU 2250846 С2, B61L 5/18, 23/00, 09.04.2003;
- Светодиодный светофор, патент RU 2440264 С1, B61L 5/18, 23.07.2010;
- Железнодорожный светофор, патент RU 2516926 С2, B61L 5/18,15.03.2012,
возникают трудности с их заменой при выходе из строя, обусловленные весом, габаритом и конструкцией модулей и светофоров. Кроме того, в этом случае существенно возрастают затраты на обновление парка устройств в инфраструктуре путевого хозяйства, масштабы которого огромны. Наиболее близким из этой группы решений к заявляемому является решение по документу RU 2250846 С2, однако ему присущи недостатки, характеризующие группу в целом.
С этой точки зрения целесообразнее использовать существующие эксплуатируемые конструкции светофоров, имеющих значительный ресурс, за исключением самого слабого его звена: 2-нитевой лампы накаливания. Достаточно подробно об этом изложено в статье коллектива авторов Абрамова B.C., Никифорова С.Г., Иванова А.А., Пензева П.В., Мухова Х.В. «Светодиодная лампа для светодиодных светофоров», опубликованной в журнале «ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОТЕХНИКА», No3, 2010, с. 47-52. В статье предложено решение: светодиодная лампа, которая «полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в линзовых комплектах лампой накаливания ЖС12-15+15 и ЖС12-25+25 по геометрическим и электрическим параметрам». Чему посвящена группа патентов:
- Светодиодный источник излучения, патент RU 2392539 С2, F21V 29/00, 21.07.2008;
- Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом, патент RU 2402108 C1, H01L 33/50, H01L 25/13, 09.11.2009;
- Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом, патент RU 2436196 C1, H01L 33/50, 11.06.2010;
- Светодиодный источник излучения, патент RU 2444091 C1, H01L 33/64, 16.07.2010;
- Светодиодный источник излучения, патент RU 2444676 C1, F21S 13/00, 16.08.2010;
- Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом, патент RU 133652 U1, H01L 33/50, 17.05.2013;
- Светодиодная лампа с корригирующим фильтром для систем управления железнодорожным и/или автомобильным транспортом, патент RU 139759U1, F21S 13/00, 06.09.2013.
Тем не менее, ни в одном из документов не указано, что изделия выполнены взаимозаменяемыми с традиционными 2-нитевыми лампами накаливания ЖС12-15+15 и ЖС12-25+25.
За прототип заявляемого изобретения принято решение по патенту RU 133 652 U1: «Светодиодный источник излучения, содержащий электрическую цепь с мостом и, по меньшей мере, двумя полупроводниковыми излучателями света параллельного соединения, держатель излучателей света с присоединительными выводами, радиатор и покровную линзу, отличающийся тем, что электрическая цепь снабжена управляемым посредством фотоприемника или от напряжения нагрузки моста ключом, параллельно соединенным с мостом, при этом последний последовательно соединен с шунтом».
Недостатком данного источника являются:
1. Большие (70-90 процентов от потребляемой мощности) потери мощности за счет включения последовательно со светодиодами резистора, который необходим для нормальной работы светодиодов и обеспечения функционирования цепей контроля исправности лампы. Наличие больших потерь мощности ведет к необходимости обеспечения надежного теплоотвода как от светодиодов, так и от самого изделия, что, в свою очередь, требует усложнения и удорожания конструкции.
2. Низкая энергоэффективность. Потребление, как у лампы накаливания, за счет резисторов.
3. Отсутствие возможности выявления неисправности при закорачивании, пробое и деградации светоизлучающих диодов и диодного моста, т.к. согласно приведенной схеме при вводе шунтирующей цепи или закорачивании светодиодов все изделие обтекается рабочим током огневого реле, и неисправность не будет выявлена.
4. Подверженность неполного свечения от наведенного напряжения в питающей сети, величина которого менее минимально допустимого, но более прямого падения напряжения на светодиодах.
5. Наличие большой (до 100 процентов) пульсации светового потока ввиду отсутствия сглаживающего устройства, что негативно сказывается на восприятии сигнала локомотивной бригадой.
Техническая задача изобретения
Технической задачей изобретения является создание более энергоэффективной и более надежной лампы для железнодорожного светофора, взаимозаменяемой с традиционными 2-нитевыми лампами накаливания. Предлагается решение светодиодной лампы, электрически и геометрически взаимозаменяемой с традиционной 2-нитевой лампой накаливания, что позволит использовать традиционный светофор, но повысить его эффективность и надежность за счет улучшенных характеристик самой лампы.
Технический результат в части энергоэффективности достигается путем применения в лампе в качестве балласта не резисторов (на схеме по документу RU 133652 U1 - резистор R2), а конденсатора или индуктивности.
Технический результат в части снижения затрат на модернизацию светофоров заключается в том, что предлагаемая лампа полностью взаимозаменяема с традиционными 2-нитевыми лампами накаливания, что исключает доработку конструкций и схем эксплуатируемых светофоров.
Технический результат в части надежности достигается путем введения в конструкцию лампы схемы отключения, которая при наличии электропитания (в номинальном диапазоне напряжений) и отсутствии излучения отключит лампу от питающей сети, тем самым обесточив огневое реле светофора.
Сущность изобретения
Суть изобретения заключается в создании светодиодной лампы для железнодорожного светофора, которая устанавливается в стандартный патрон двухнитевой лампы накаливания железнодорожного светофора с минимальным потреблением электроэнергии, т.е. лампа имеет корпус, выполненный в виде стандартного цоколя светофорной лампы накаливания ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25, являющийся одновременно радиатором для отвода тепла.
Так как подавляющее большинство светофоров запитаны от переменного тока промышленной частоты, в предлагаемой конструкции светофорной светодиодной лампы предлагается вместо резистора использовать конденсатор, который при подключении к переменному току имеет реактивное (емкостное) сопротивление, обратно пропорциональное своей емкости.
Схемы реализации предлагаемого изобретения приведены на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
Данное техническое решение позволяет снизить активную потребляемую мощность светодиодной лампы, которая преобразуется в тепло и вызывает нагрев лампы, в 5-10 раз в зависимости от падения напряжения применяемых светодиодов. При этом не нарушая режима работы системы контроля целостности лампы. Также вместо последовательно подключаемого конденсатора может подключаться индуктивность, работающая по аналогичному принципу, обладающая индуктивным реактивным сопротивлением. Ввиду очень малой мощности светодиодов лампы (1-3 Вт) существует вариант запитки светодиодов светофорной лампы через трансформатор (автотрансформатор) и далее через выпрямительный мост, при этом трансформатор может работать в обычном режиме, или в режиме насыщения магнитопровода, или в режиме трансформатора тока.
Заявляемое изобретение характеризуется следующими характерными признаками:
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием узла крепления, аналогичного стандартной двухнитевой светофорной железнодорожной лампе накаливания, для установки ее на место (в патрон) светофорной лампы накаливания;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием конденсатора, включенного последовательно перед полупроводниковым выпрямительным мостом и подключенным к нему полупроводниковым излучателем или излучателями. См. фиг 1;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием катушки индуктивности, включенной последовательно перед полупроводниковым выпрямительным мостом и подключенным к нему полупроводниковым излучателем или излучателями. См. фиг 2;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием двух независимых полупроводниковых источников света со схемами питания, один из которых располагается на оптической оси линзового комплекта светофора, а второй - со смещением от нее. Это позволяет обеспечить работу светодиодной лампы при отказе цепи основного источника излучения;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием конденсатора, подключенного параллельно выходу выпрямительного моста, для снижения пульсаций излучаемого светового потока излучателя согласно схемам фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием фоторезистора, фототранзистора, фотоэлектрического модуля, расположенного в оптической видимости полупроводникового излучателя, подключенного через схему задержки к схеме отключения или к схеме пережигания предохранителя лампы при наличии питающего напряжения и отсутствии работоспособности полупроводникового излучателя согласно схемам фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием как минимум одного полупроводникового излучателя, цвет которого соответствует сигналам, применяемым на железнодорожном транспорте;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием конденсатора, подключенного параллельно источнику питания лампы, который может выполнять функцию дополнительного балласта как рабочего тока, так и мешающего наведенного тока согласно схемам фиг. 1 и фиг. 2;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием минимум одного трансформатора или автотрансформатора, работающего в обычном режиме, или в режиме насыщения, или в режиме трансформатора тока, через который запитаны выпрямительный мост и далее - полупроводниковые излучатели или излучатель согласно фиг. 3;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается наличием конденсатора, подключенного параллельно цепи питания перед диодным мостом до токозадающего элемента согласно схемам фиг. 1 и фиг. 2;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается тем, что питание системы контроля лампы осуществляется до диодного моста и токозадающего и балластного конденсаторов. Это позволяет выявить неисправность любого элемента, обеспечивающего подачу напряжения на полупроводниковый излучатель согласно схемам фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается тем, что питание системы контроля лампы осуществляется до диодного моста и токозадающей индуктивности согласно схеме фиг. 2;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается тем, что питание системы контроля лампы осуществляется до диодного моста и трансформатора согласно схеме фиг. 3;
- светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивным балластом отличается тем, что предохранитель может быть самовосстанавливающимся многократного действия.
Перечень чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1-3:
фиг. 1 - схема принципиальная светодиодной лампы для железнодорожного светофора с реактивным балластом (одна из возможных реализаций) с применением конденсатора в качестве балластного элемента;
фиг. 2 - схема структурная светодиодной лампы для железнодорожного светофора с реактивным балластом (одна из возможных реализаций) с применением индуктивности в качестве балластного элемента;
фиг. 3 - схема структурная светодиодной лампы для железнодорожного светофора с реактивным балластом (одна из возможных реализаций) с применением насыщенного трансформатора в качестве балластного элемента.
Осуществление изобретения
Изобретение согласно фиг. 1 осуществляется следующим образом. Напряжение переменного тока подается через предохранитель FU-1, токозадающий конденсатор С3 на выпрямительный мост VD2-VD5, нагрузкой которого является полупроводниковый излучатель света VD-6. Конденсатор С-1 необходим для создания тока, необходимого для нормальной работы огневого реле светофора и защиты от наведенного напряжения. Конденсатор С-4 необходим для уменьшения пульсаций светового потока. Резистор R-2 (величина которого от сотен Ом до единиц кОм) нужен для скорейшего погасания полупроводникового излучателя после отключения лампы. На элементах диод-VD1, транзистор-VT1, резистор-R1, конденсатор-С2, фоторезистор-VR-1 собран узел отключения, который при отсутствии свечения, но при наличии питающего напряжения вызовет пережог предохранителя FU-1 положительной полуволной питающего напряжения, тем самым оборвав цепь питания огневого реле (или иного средства контроля неисправности) светофора, которое подаст сигнал о неисправности. Стабилитрон блокирует отключающий узел при напряжении питания менее номинального. При практической реализации схемы узел отключения может быть выполнен по иной схеме, не меняющей его назначения, а в некоторых случаях может быть заменен узлом включения, подключенным последовательно питающей цепи и управляемым по состоянию фоторезистора VR-1. Для возможности замены традиционных ламп корпус предлагаемой лампы, являющийся одновременно радиатором, выполнен в виде стандартного цоколя светофорной лампы накаливания ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25.
Изобретение согласно фиг. 2 осуществляется следующим образом. Напряжение переменного тока подается через предохранитель FU-1, токозадающую индуктивность L-1 на выпрямительный мост VD2-VD5, нагрузкой которого является полупроводниковый излучатель света VD-6. Конденсатор С-1 необходим для создания тока, необходимого для нормальной работы огневого реле светофора и защиты от наведенного напряжения. Конденсатор С-4 необходим для уменьшения пульсаций светового потока. Резистор R-2 (величина которого от сотен Ом до единиц кОм) нужен для скорейшего погасания полупроводникового излучателя после отключения лампы. ОУ - отключающий узел показан схематически и аналогичен изображенному на фиг. 1. При практической реализации схемы узел отключения может быть выполнен по иной схеме, не меняющей его назначения, а в некоторых случаях может быть заменен узлом включения, подключенным последовательно питающей цепи и управляемым по состоянию фоторезистора VR-1. Для возможности замены традиционных ламп корпус предлагаемой лампы, являющийся одновременно радиатором, выполнен в виде стандартного цоколя светофорной лампы накаливания ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25.
Изобретение согласно фиг. 3 осуществляется следующим образом. Напряжение переменного тока подается через предохранитель FU-1, насыщенный трансформатор на выпрямительный мост VD2-VD5, нагрузкой которого является полупроводниковый излучатель света VD-6. Создание тока, необходимого для нормальной работы огневого реле светофора, а также защита от наведенного напряжения осуществляются первичной обмоткой насыщенного трансформатора. Конденсатор С-4 необходим для уменьшения пульсаций светового потока. Резистор R-2 (величина которого от сотен Ом до единиц кОм) нужен для скорейшего погасания полупроводникового излучателя после отключения лампы. ОУ - отключающий узел показан схематически и аналогичен изображенному на фиг. 1. При практической реализации схемы узел отключения может быть выполнен по иной схеме, не меняющей его назначения, а в некоторых случаях может быть заменен узлом включения, подключенным последовательно питающей цепи и управляемым по состоянию фоторезистора VR-1. Для возможности замены традиционных ламп корпус предлагаемой лампы, являющийся одновременно радиатором, выполнен в виде стандартного цоколя светофорной лампы накаливания ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25.
Во всех вариантах схем предохранитель может быть самовосстанавливающимся многократного действия.