Светодиодная лампа для железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом
LED LAMP FOR RAIL LIGHTS WITH REACTIVE-PULSED BALLAST

Область техники
Заявляемое изобретение относится к организации и управлению движением на железных дорогах - пути (рельсовые цепи), которые оснащены автоматической и, или 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, Н05В 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 C1, 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 присуще 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», опубликованная в журнале «ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОТЕХНИКА, № 3'2010, стр. 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 139759 U1, 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.
Известно решение по документу RU 100 989 U1, B61L 5/18, Устройство согласования для железнодорожных светофоров, 17.09.2010. Недостатком устройства является наличие в его составе реле, ресурс которого ограничен.
За прототип заявляемого изобретения принято решение по патенту RU 133652 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».
Недостатками 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 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.
6. Светодиодный источник света имеет практически линейную (за счет резистора основного балласта) характеристику, а сопротивление лампы накаливания в холодном состоянии примерно в 8 раз меньше, чем в горячем. Таким образом, в момент подачи на лампу накаливания напряжения происходит пусковой бросок тока, который необходим для скорейшего срабатывания (подтягивания якоря) огневого реле в схеме автоматики сигнальной установки (светофора). Это особенно актуально, когда сигнал светофора работает в мигающем режиме.
Техническая задача изобретения
Технической задачей изобретения является создание более энергоэффективной и более надежной лампы для железнодорожного светофора, взаимозаменяемой с традиционными 2-нитевыми лампами накаливания, а также снижение выделения тепла на лампе. 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.
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, например лампы накаливания ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25, являющийся одновременно радиатором для отвода тепла.
В предлагаемой конструкции светофорной светодиодной лампы, для создания тока, необходимого для нормальной работы огневого реле или иного средства контроля целостности цепи лампы, предлагается использовать в конструкции лампы шунтирующий узел, работающий в импульсном режиме. Задачей шунтирующего узла является кратковременное замыкание (шунтирование) питающих полюсов светодиодной лампы, при этом величина тока, протекающего через узел шунтирования в момент его включения, может превышать среднее значение тока протекающего через лампу. Величина тока в момент включения шунта ограничивается сопротивлением обмотки огневого реле и питающей лампу сети. Питание светоизлучающих диодов и генератора импульсов осуществляется в те моменты, когда шунтирующий узел отключен. Питание генератора осуществляется в момент отключения шунтирующего узла, а в момент включения шунтирующего узла - от конденсатора. Для уменьшения пульсаций светового потока на время пропадания напряжения в момент включения шунтирующего узла может быть применен конденсатор, подключенный параллельно источникам света.
Технический результат достигается путем применения в лампе в качестве балласта не резисторов (на схеме по документу RU 133652 U1, резистор R2), а шунтирующего устройства с малым сопротивлением (менее 3 Ом), которое работает в импульсном режиме с частотой питающей сети либо с частотой собственного генератора. Фактически, создаются кратковременные токовые импульсы по параметрам, близкие к короткому замыканию, но за счет малого времени включения шунта средний ток, создаваемый шунтом, не приводит к перегоранию предохранителей, но достаточен для уверенного срабатывания средств контроля (огневого реле). При таком техническом решении мощность, выделяемая в цепи шунта, ничтожно мала за счет малой длительности импульсов и малого сопротивления. Питание полупроводниковых излучателей, генератора импульсов, средств контроля осуществляется через токозадающий и/ или токоограничивающий резисторы (в отличие от патента RU 133652 U1, резистор R2, в нашем случае по резистору протекает лишь часть тока, потребляемого лампой) в момент, когда шунт отключен, а для работы перечисленных устройств в момент включения шунта применяются конденсаторы, отделенные диодами и/или диодными мостами от полюсов питания лампы.
Согласно проведенным испытаниям с огневым реле типа АОШ2-180/0,45 в режиме контроля лампы 25 Вт и питания от аккумулятора 12 В удалось достигнуть устойчивого срабатывания при среднем токе менее 0,3 А (с учетом потребления светодиодов) при частотах генератора 50-300 Гц и скважности импульсов 1/50-1/20. Данный факт особо актуален при работе лампы от аккумуляторной батареи входных светофоров. При работе лампы с запиткой от переменного тока порядок работы аналогичен с той лишь разницей, что в шунтирующем устройстве добавляется выпрямительный мост.
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.
Одна из возможных схем реализации предлагаемого изобретения приведена на фиг. 1.
Данное техническое решение позволяет свести к минимуму мощность, выделяемую на светодиодной лампе, для максимального уменьшения ее нагрева, при этом не нарушая режима работы системы контроля целостности лампы.
Заявляемое изобретение характеризуется следующими характерными признаками:
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом характеризуется 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 реактивно-импульсным балластом характеризуется наличием шунтирующего узла, работающего в импульсном режиме.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается наличием двух независимых полупроводниковых источников света, со схемами питания и контроля, 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 реактивно-импульсным балластом отличается наличием минимум одного полупроводникового источника света, располагающегося на оптической оси линзового комплекта светофора и/или со смещением от нее.
- Светодиодная лампа железнодорожного с реактивно-импульсным балластом отличается наличием конденсатора, подключенного параллельно источникам света для снижения пульсаций излучаемого светового потока излучателя.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается наличием фоторезистора, фототранзистора, фотоэлектрического модуля или иного светочувствительного элемента, расположенного в оптической видимости полупроводникового(ых) излучателя(лей), подключенного(ых) через схему задержки или без таковой к схеме отключения или к схеме пережигания предохранителя лампы при наличии питающего напряжения и отсутствия работоспособности полупроводникового излучателя.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается наличием минимум одного полупроводникового излучателя, цвет которого соответствует сигналам, применяемым на железнодорожном транспорте, метрополитене.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается наличием конденсатора, со схемой отключения, подключенного параллельно источнику питания лампы, который может выполнять функцию дополнительного балласта как рабочего переменного тока, так и мешающего наведенного тока.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что при работе формирует токовые импульсы по цепи питания, пиковое (амплитудное) значение которых более, чем средний ток, и частота, и скважность которых задается встроенным в конструкцию лампы генератором.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что предохранитель может быть самовосстанавливающимся многократного действия.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что параллельно цепи питания лампы подключен шунтирующий узел, выполненный в виде резистора и/или полупроводникового стабилизатора-ограничителя.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что в своем составе имеет хотя бы один элемент, обладающий реактивным сопротивлением переменному току.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что параллельно цепи питания лампы подключен шунтирующий узел с нелинейной зависимостью тока и/или сопротивления от напряжения.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что элементы или их части, на которых происходит значительное выделение тепла, вынесены полностью или частично за пределы основного корпуса лампы. Также они могут располагаться в защитных кожухах и между элементами радиатора.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что для имитации холодного состояния лампы возможно применение частично отключаемой или подключаемой конденсаторной батареи и/или резисторной сборки или резистора, подключенных к полюсам питания лампы.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом отличается тем, что для обеспечения надежного контакта оснащается гибкими выводами.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом по п. 1 отличается наличием спараллеленного конденсатора и резистора включенного последовательно перед полупроводниковым выпрямительным мостом и подключенным к выходу диодного моста полупроводниковым излучателем или излучателями.
- Светодиодная лампа железнодорожного светофора с реактивно-импульсным балластом по п. 1 отличается наличием конденсатора подключенного параллельно выходу выпрямительного моста для снижения пульсаций излучаемого светового потока.
Перечень чертежей
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1
Фиг. 1 - Структурная схема светодиодной лампы для железнодорожного с реактивно-импульсным балластом (одна из возможных реализаций);
Осуществление изобретения
Изобретение согласно фиг. 1 осуществляется следующим образом. Напряжение переменного тока подается через предохранитель 1, токозадающий резистор 2 на выпрямительный мост 12, нагрузкой которого является полупроводниковый излучатель света 3. Конденсатор 4 необходим для создания тока (реактивного характера), необходимого для нормальной работы огневого реле светофора и защиты от наведенного напряжения при работе лампы от переменного тока. Конденсатор 5 необходим для уменьшения пульсаций светового потока. Резистор 6 (величина которого от сотен Ом до единиц килоОм) нужен для скорейшего погасания полупроводникового излучателя после отключения лампы. Ввиду того что основная часть тока идет через конденсатор 4 и имеет реактивный характер, выделение тепла на лампе минимально и составляет 1-3 Вт. Эту мощность можно еще уменьшить до 1-0,3 Вт, если вместо резистора 2 установить конденсатор или конденсатор спараллеленный с резистором.
При работе лампы на постоянном токе напряжение подается через предохранитель 1, токозадающий резистор 2 на выпрямительный мост 12, нагрузкой которого является полупроводниковый излучатель света 3. Для нормального функционирования системы контроля целостности цепи лампы включается управляемый узел шунтирования 7, который управляется генератором импульсов 11 со скважностью менее 1/5 (импульс/пауза) и фоточувствительным элементом 9. При пропускании кратковременных импульсов тока через 7, сопротивление которого менее трех Ом, выделение тепла на нем ничтожно мало, но при этом среднего тока достаточно для надежного срабатывания и удержания огневого реле, но не достаточно для перегорания предохранителя. В момент токового импульса ток ограничивается сопротивлением огневого реле, питающих проводов и аккумуляторной батареи и в некоторых случаях дополнительным сопротивлением внутри сигнальной установки. Для снижения нагрузки на узел шунтирования 7 конденсатора 4 батарея конденсаторов отключается (полностью или частично) при помощи ОУК - отключающий узел конденсатора 8. Резистор 10 может быть установлен для поглощения ЭДС самоиндукции при работе узла шунтирования.
Предлагаемые выше технические решения позволяют обеспечить лампе нагрев не более чем на 5-10 градусов, что позволяет выполнить лампу без радиатора и в минимальных габаритах и с высокой надежностью.
В случае наличия напряжения, как переменного так и постоянного на полюсах питания лампы и отсутствия свечения полупроводникового излучателя при помощи фоточувствительного элемента 9 подается сигнал (отсутствие сигнала) на узел шунтирования 7, который включается и пережигает предохранитель 1 тем самым оборвав цепь питания огневого реле (или иного средства контроля неисправности) светофора, которое подаст сигнал о неисправности.
При практической реализации лампы все узлы могут объединяться, группироваться и выполнены на различной элементной базе.
Для возможности замены традиционных ламп корпус предлагаемой лампы, являющийся одновременно радиатором, выполнен в виде стандартного цоколя светофорной лампы накаливания, например ЖС-12-15+15 или ЖС-12-25+25.
Предохранитель может быть самовосстанавливающимся многократного действия.