СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА С КОРРИГИРУЮЩИМ ФИЛЬТРОМ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ И/ИЛИ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Полезная модель относится к средствам светоизлучения, преимущественно для систем управления железнодорожным и автомобильным транспортом, таким как светофоры.
В настоящее время основным преимуществом полупроводниковых светодиодных (СД) источников излучения над остальными источниками света является надежность - СД лампы различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, в то время, как срок службы ламп накаливания и люминесцентных ламп не превышает 10000 часов; кроме того, световая отдача СД ламп в настоящий момент превышает 120 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных не выходит за пределы 100 лм/Вт.
Попытки повышения эффективности ламп накаливания посредством применения светофильтров оказались неэффективны, поскольку из-за широкого спектра излучения ламп накаливания (от ультрафиолетового до инфракрасного) такой фильтр вырезает достаточно узкий спектр излучения, что может составлять до 50% световой мощности лампы накаливания, в зависимости от спектрального диапазона. В то же время, спектр СД источника излучения белого цвета значительно уже, а относительная световая мощность, получаемая после фильтра составляет до 60%. В числе известных светодиодных устройств, использующих в своей конструкции подобный эффект, может быть упомянуто светодиодное устройство для систем управления транспортом по патенту РФ №2436196.
Однако, на практике, светодиодные устройства, применяемые для систем управления транспортом, состоят из матриц разного цвета свечения, составленных определенным образом исходя из физических принципов строения полупроводниковых излучающих структур. Так, линзовый комплект (ЛК) ЖД светофора состоит из оптической системы из 2-х линз Френеля (одна из которых является светофильтром соответствующего цвета) и источника света, находящегося в фокусе системы. Вместе с тем, в случае замены источника без каких - либо доработок системы, новый источник света должен иметь абсолютно идентичный первому спектр излучения, потому как светофильтры сигнальных цветов рассчитаны с учетом источника и в противном случае будет нарушена результирующая цветность сигнала, что абсолютно неприемлемо. В этой связи, соблюдая условие прямой замены одного источника (лампы накаливания) другим источником излучения (светодиодным), без иных усовершенствований оптической системы, необходимо скорректировать спектр излучения последнего до такого вида, когда не будет иметь значения, в ЛК какого цвета сигнала будет установлена светодиодная лампа, как это сейчас происходит с лампой накаливания. Вместе с тем, также не имеет смысла корректировать спектр светодиодной лампы до такой степени, чтобы он полностью совпадал со спектром лампы накаливания (однако, такое вполне возможно), иначе спектр излучения светодиодов потеряет некоторые преимущества по значительно большей силе света отдельных цветовых сигналов.
С учетом сказанного, задача, решаемая заявленной полезной моделью, состоит в создании светодиодного источника излучения с корригирующим фильтром, характеристика пропускания которого обеспечивает все вышеперечисленные функции, в том числе, возможность установки светодиодной лампы в любой вариант существующего ЖД светофора (мачтового, карликового, любого цвета сигнала). Дополнительно, и не менее важно, решена задача постоянства характеристик СД источника во всем диапазоне температур эксплуатации в течение длительного времени (десятки лет). Технический результат, полученный при решении поставленной задачи, состоит в повышении эксплуатационных характеристик светодиодного источника излучения синего цвета свечения в части излучающих характеристик.
Для достижения поставленного результата, предлагается светодиодный источник излучения, состоящий из линейной матрицы излучающих кристаллов синего цвета свечения с максимальной длиной волны λ=438÷442 нм., покрытых люминофором с результирующим излучением в видимом диапазоне с коррелированной цветовой температурой ССТ=2600-3200К, теплоотводящего корпуса, схемы управления и покровного стекла, при этом покровное стекло является фильтром видимого излучения со спектральной характеристикой пропускания, определяемой начальным линейным фронтом спектра пропускания с крутизной 2,8-3,2%/нм, в области 415-462 нм, и точностью его воспроизведения ±3 нм., а погрешность воспроизведения остальной части характеристики спектра пропускания (поглощения) составляет не более ±10 нм.
2
Предпочтительные, но не обязательные варианты воплощения заявленного СД источника предполагают выполнением теплоотводящего корпуса с радиатором, площадь которого составляет не менее 100 см; что покровное стекло и излучающие кристаллы могут быть установлены с зазором друг относительно друга, в котором (зазоре) размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующим эластичный компаунд, имеющий коэффициент преломления ≥1,3; покровное стекло может быть выполнено плоским, сферическим или в виде линзы Френеля; координаты цветности источника излучения покрытого люминофором могут лежать в диапазоне Х=(0,36, 0,36, 0,47, 0,46)±0,01, Υ=(0,37, 0,35, 0,43, 0,39)±0,01.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими пояснительными графиками и схемами:
Рис. 1 - спектральное распределение выбранного кристалла с люминофором компании «Osram»;
Рис. 2 - спектральное распределение выбранного кристалла с люминофором с нанесенным кремнийорганическим гелем;
Рис. 3 - положение координат цветности полученных сигналов на равноконтрастном графике МКО-31;
Рис. 4а) - Спектральное распределение лунно-белого сигнала при условии применения корректирующего фильтра в светодиодной лампе. Обозначения характеристик фильтров и кривые результатов свертки с ними сигналов приведены на сноске. Цифрой обозначена коррелированная цветовая температура полученного сигнала;
б) - положение координат цветности относительно регламентируемого участка графика МКО-31;
Рис. 5 - характеристика пропускания корректирующего фильтра;
Рис. 6 - положение координат цветности полученных сигналов на равноконтрастном графике МКО-31 с применением фильтра.
Возможность решения поставленной задачи и достижения поставленного результата обусловлена тем, что в процессе расчета характеристик фильтра был скорректирован выбор такого сочетания системы излучающий кристалл - люминофор, которое наиболее удачно подходило бы для данной задачи. По сути, результаты расчета корректирующего фильтра и определили выбор колориметрических (спектральных) характеристик необходимого для светодиодного источника излучения в виде синего кристалла, покрытого люминофором с заданными параметрами излучения.
Порядок расчета подразумевал следующую последовательность.
1. Измерение характеристик пропускания ρ(λ) светофильтров линзового комплекта (ЛК), а также всего ЛК в сборе в диапазоне 300-830 нм; выполнялся с помощью установки «Спекорд» с разрешением 0,5 нм.
2. Измерение спектральной характеристики Φ(λ) излучения светодиодов ЖСС с заливкой кремнийорганическим гелем и без нее.
3. Свертка полученных функций спектрального распределения и оценка результирующей цветности и силы света сформированных сигналов согласно (1):
4. Поскольку характеристики пропускания фильтров синего и зеленого сигналов мало пересекаются с характеристиками красного и желтого, а, следовательно, взаимное влияние вида этой характеристики на эти группы цветов будут минимальны, определение формы корректирующего фильтра было разбито на 2 поддиапазона: 1-ый: 360-550 нм и 2-ой: 550-830 нм.
5. Далее, из соображений максимальной световой эффективности системы кристалл - люминофор, было определено, что базовым для формирования необходимого спектра излучения светодиодов лампы должен быть излучающий кристалл с пиковой длиной волны порядка 440 нм. Это обстоятельство особенно важно для корректного формирования цветности сигналов 1-го поддиапазона. Анализ рынка излучающих кристаллов такого диапазона показал, что наиболее приемлемыми для такого использования будут кристаллы компании «Osram» выращенные на подложках из кремния и покрытые люминофорной смесью, формирующей коррелированную цветовую температуру излучения порядка 2700-2900К. Вид спектрального распределения показан на рис. 1.
Однако, из-за большой разницы коэффициентов преломления кристалл - воздух (3,5-1) и кристалл - кремнийорганический гель - воздух (3,5-1,4-1), спектральный состав излучения несколько изменяется при нанесении геля. Увеличивается доля синего, поскольку его часть, излучаемая боковыми гранями кристалла, хоть и невелика, но при условии изменения коэффициента преломления кристалла относительно воздуха через гель, свободно выходит в направлении основного потока излучения. Отсюда, показанное спектральное распределение получается таким, как показано на рис.2.
Коррелированная цветовая температура результирующего излучения увеличивается приблизительно на 500К и становится порядка 3400К. Это спектральное распределение и является исходным для расчета корригирующего фильтра, а изначальное спектральное распределение - для формирования требований к излучающим кристаллам.
6. В последующем шаге оценивается работа выбранного источника, спектральное распределение которого показано на рис.2 совместно с линзовыми комплектами и формируется обратная задача для устранения полученного несоответствия по цветности.
Согласно (2) рассчитывается результирующее спектральное распределение Ξ(λ)i каждого i-го сигнала с учетом характеристики пропускания ρ(λ)i соответствующего цвета.
Результат работы лампы в таком виде со всеми цветами сигналов показан на рисунке 3. Здесь и далее - на всех рисунках, где указано положение координат цветности сигналов на равноконтрастном графике МКО-31, зоны цветности сигналов, регламентированные ГОСТ Ρ 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний» обозначены мелким пунктиром.
Анализируя рис. 3 можно заметить, что все цвета или вообще не попали в соответствующую регламентированную зону, или находятся на ее краях. Это еще раз подтверждает необходимость указанной коррекции спектра.
1
ЛН
7. Далее рассчитывается корректирующая часть сигналов 1-го поддиапазона Κ(λ), где для отправного множителя в (2), определяется разница между спектральным распределением сигнала светофора, обеспечивающего требуемую цветность Ф(λ) (например, при использовании штатного для ЛК источника - лампы накаливания - ЛН) и полученным по (2), (3):
После нормирования коэффициента, рассчитанного по (3), формула (2) приобретает вид (4).
Таким образом, поправка для получения заданной цветности сигнала (это и есть соответствующий участок характеристики корригирующего фильтра) определяется решением обратной задачи (5):
Далее рассчитываются коэффициенты и для 2-го поддиапазона. Затем соответствующие участки диапазонов «сшиваются» с усреднением значений на границах и проверяется взаимное влияние полученных характеристик пропускания в одном общем светофильтре.
8. Показателем корректности проведенных расчетов является соответствие требуемым координатам цветности лунно-белого сигнала, светофильтр которого затрагивает практически весь видимый диапазон. Пример полученного спектрального распределения этого сигнала с рассчитанным корректирующим фильтром показан на рисунке 4а).
В результаты описанных расчетов и дополнительных поправок в форму корректирующего фильтра, полученная характеристика пропускания позволяет использовать в лампе светодиодные источники с коррелированной цветовой температурой в диапазоне 2600-3200К [патент №2436196]. Ее вид показан на рис. 5, а результирующее положение всех координат цветности сигналов - на рис. 6. Можно заметить, что с применением указанной характеристики все сигналы соответствуют ГОСТ Ρ 54350-2011 по цветности, а значения силы света ЛК существенно превышают минимальные, регламентированные в том же стандарте, ввиду значительно большей доли полезного сигнала в спектре светодиода относительно ЛН.
Колориметрические параметры полученных сигналов и требуемых по стандарту приведены в следующей Таблице
Таблица
ГОСТ
X
Y
Ζ
Ldom/Tc
Лампа
0,4613
0,4106
0,1281
2669,26
Красный
0,7135
0,2850
0,0015
636,01
Зеленый
0,2189
0,4501
0,3310
508.33
Желтый
0,6343
0,3653
0,0004
592,34
Синий
0,1690
0,1023
0,7287
466,55
Л-Б
0,3666
0,3751
0,2583
4373,65
X
Y
Ζ
Ldom/Tc
Красный
0,7082
0,2894
0,0025
632,34
Зеленый
0,2065
0,4361
0,3573
502,56
Желтый
0,5782
0,4158
0,0060
591,22
Синий
0,1616
0,0754
0,7630
464,31
Л-Б
0,3371
0,3489
0,3140
5306,40