Способ формирования кривой силы света прожектора, прожектор и светодиодное осветительное устройство прожектора для реализации способа
METHOD OF GENERATING CURVE OF SEARCHLIGHT INTENSITY, SEARCHLIGHT AND SPOTLIGHT ILLUMINATING DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Область техники
Заявляемая группа изобретений относится к осветительным устройствам для прожекторных установок подвижного состава железнодорожного транспорта, водного транспорта, воздушного, а также к прожекторам с зеркальным отражателем сферической или параболической формы.
Уровень техники
На сегодняшний день для освещения пути перед подвижным составом применяются преимущественно прожекторные установки со сферическим отражателем с источниками света в виде ламп накаливания или галогенных ламп. При использовании подобных ламп наблюдается низкая энергоэффективность и требуется частая замена ламп.
Некоторыми предприятиями разработаны локомотивные светодиодные прожекторные установки, которые могут устанавливаться как в прожекторный отсек подвижного состава, так и независимо от него, например, лобовой прожектор светодиодный ЛПБ-01 (http://www.rosat.org/svetodiodnyiy-lokomotivnyiy-prozhektor/), который предназначен для замены традиционных ламповых прожекторов. Однако, в ходе эксплуатации оказалось, что возникают трудности с их фокусировкой, охлаждением, обслуживанием, заменой при выходе из строя, обусловленные весом и габаритами конструкции. Так же вызывают обеспокоенность светопропускаемые свойства оптических систем, выполненных, как правило, из поликарбоната, в условиях интенсивных световых и тепловых излучений, а также, в условиях постоянной вибрации. Кроме того, необходимы существенные затраты на обновление парка прожекторных устройств локомотивного хозяйства, масштабы которого значительны. Например, только парк локомотивов составляет около 20 тыс.единиц.
Известен прожектор со сферическим отражателем, в который вместо прожекторной лампы накаливания устанавливается светодиодная прожекторная лампа по патенту на полезную модель RU 166928 (МПК F21S 8/10, опубликовано 20.12.2016 г.). Лампа состоит из фокусирующего цоколя, в котором закреплен теплопроводящий стержень с оребрением, имеющий полость, в которой закреплен интеллектуальный драйвер питания светодиодной матрицы и вентилятора, позволяющий лампе работать от сети постоянного и переменного тока с напряжением 40-90 вольт и иметь режимы работы «тусклый», «средний», «яркий», «повышенная яркость». На конце теплопроводящего стержня с оребрением размещен теплоотвод с оребрением, который с помощью теплоотводящих трубок крепится к кузову транспортного средства и дополнительному теплоотводу с оребрением. Светодиодная матрица, с вторичной оптикой, соединена с интеллектуальным драйвером питания светодиодной матрицы и вентилятора и размещена на теплоотводе с оребрением таким образом, что ее оптическая ось составляет перпендикуляр к оси сечения лампы.
Недостатками прожектора с данной прожекторной светодиодной лампой являются:
- необходимость наличия активного охлаждения т.е. вентилятора;
- снижение надежности конструкции, обусловленное повышенными инерционными нагрузками вследствие установки в существующий патрон прожектора лампы, имеющей значительную массу;
- снижение надежности осветительной установки в силу наличия электропривода.
- снижение светотехнических характеристик по причине экранирования светового потока от отражателя стержнем отвода тепла лампы;
- излишний вес конструкции, обусловленный использованием стандартного цоколя и массивного радиатора.
В связи с увеличением скорости движения поездов по сети железных дорог наиболее целесообразным считается рассмотрения сути предлагаемого изобретения на примере головного прожектора железнодорожного подвижного состава.
Наиболее близким аналогом является локомотивный прожектор с ксеноновой лампой, патент на полезную модель RU 121343 (МПК F21S 8/00, опубликовано 20.10.2012 г.). Известное устройство содержит защитный корпус с прозрачным колпаком, схему электрического питания, размещенную внутри корпуса, зеркальный отражатель, ксеноновую газоразрядную лампу, затеняющую шторку, электромагнит и элемент крепления лампы и электромагнита.
Данный прожектор обладает следующими недостатками:
- низкий КПД оптической системы;
- невозможность формирования ассиметричной кривой силы света для освещения ближней зоны пути перед локомотивом;
- снижение надежности по причине использования механического перемещения шторки, особенно в условиях повышенной вибрации.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение эффективности существующих головных прожекторов подвижного состава железнодорожного транспорта, водного транспорта, на которых используются прожекторы с параболическими или сферическими отражателями с минимальными затратами на модернизацию.
Сущность изобретения
Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности, улучшение и расширение функциональных характеристик прожекторов с зеркальным сферическим или параболическим отражателем, устанавливаемых в прожекторные отсеки головных вагонов подвижного состава железнодорожного транспорта, а именно: увеличение срока службы, улучшение видимости пути перед подвижным составом в темное время суток, что повышает безопасность движения.
Технический результат в части расширения функциональных возможностей достигается способом управления кривой силы света (далее КСС) светодиодного прожектора с зеркальным отражателем, основанный на размещении в области фокуса нескольких, но не менее двух, полупроводниковых источников света - светодиодов, групп светодиодов или светодиодной матрицы с возможностью сегментного включения или групп светодиодных матриц, и основанный на управлении их включением. В зависимости от необходимой КСС включаются соответствующие источники света -светодиоды, группа светодиодов, сегменты светодиодной матрицы, светодиодные матрицы. Если включается источник света, установленный на оптической оси ближе или дальше от фокуса, то происходит увеличение площади создаваемого прожектором светового пятна с одновременным снижением осевой силы света. Если включается источник света, установленный со смещением относительно оптической оси, то происходит смещение луча прожектора в противоположную сторону. Такое техническое решение позволяет отклонять часть светового потока в требуемом направлении, обеспечивая освещение нужной зоны перед подвижным составом, что дает возможность локомотивной бригаде видеть с одинаковым уровнем освещенности как удаленное пространство, так и пространство вблизи подвижного состава, что немаловажно, т.к. локомотивы работают, как в поездном режиме, так и маневровом.
Также с помощью данного способа формирования КСС достигается технический результат в части надежности, так как нет необходимости в использовании механических устройств для формирования отклоненного луча света, управление световым лучом осуществляется электрически путем управлением подачи электропитания на соответствующие светодиоды, группы светодиодов, сегменты светодиодной матрицы, светодиодные матрицы.
Технический результат в части улучшения функциональных характеристик достигается за счет создания прожектора, содержащего закрытый прозрачным экраном корпус, внутри которого закреплен сферический отражатель, формирующий луч света, а в качестве источника света прожектора установлено светодиодное осветительное устройство прожектора, размещаемое таким образом, что продольная ось центрального тела устройства коллинеарна оптической оси отражателя, а его торец и светодиоды, расположенные на нем, обращены в сторону отражателя и находятся вблизи фокусного расстояния отражателя. Управление включением светодиодов в разных режимах, используемых в качестве излучателей света, позволяет с помощью отражателя формировать диаграмму направленности КСС, соответствующую дорожной обстановке.
Технический результат в части надежности достигается благодаря тому, что светодиодное осветительное устройство прожектора крепится непосредственно к корпусу прожектора, например, при помощи резьбового соединения, как, например, показано на фиг. 1, прессового или заклепочного соединения, или выполнено совместно с корпусом, как показано на фиг. 2. Такое решение позволяет повысить теплорассеивающие характеристики светодиодного осветительного устройства прожектора за счет прямого отвода тепла на корпус прожектора. В случае использования мощных источников света эффект теплорассеяния может быть увеличен за счет увеличения количества и площади теплорассеивающих ребер светодиодного осветительного устройства прожектора - примеры реализации показаны на фиг. 4, а также за счет использования в конструкции светодиодного осветительного устройства прожектора теплопроводных трубок, как показано, например, на фиг. 9. Применение пассивного охлаждения не приводит к существенному усложнению конструкции прожектора и позволяет отказаться от применения активных систем охлаждения с использованием, например, вентиляторов. Это повышает надежность источников света и надежность прожектора в целом, в том числе за счет снижения общего количества компонентов конструкции и исключения движущихся механизмов в конструкции.
Технический результат в части надежности достигается за счет электрического управления прожектором без применения подвижных механических элементов для регулирования светового луча. Для управления режимами работы светодиодов в прожекторе предусмотрено устройство управления электропитанием, в качестве которого может использоваться интеллектуальный драйвер, имеющий проводную или беспроводную связь с органами управления электропитанием в кабине транспортного средства.
Технический результат достигается за счет создания светодиодного осветительного устройства прожектора, состоящего из корпуса-радиатора и источника света, в качестве которого используются отдельные светодиоды, группа светодиодов, или матрица светодиодов, с возможностью сегментного включения, или группа светодиодных матриц. Светодиодное осветительное устройство прожектора, состоящее из корпуса-радиатора, выполненного из теплопроводного материала в виде центрального тела и примыкающих к нему теплорассеивающих ребер, на торец которого установлен источник света, а именно светодиоды; или группа светодиодов; или матрица светодиодов, имеющая возможность сегментного включения; или группа матриц, с расположением светодиодов, работающих совместно или независимо, по следующей схеме: минимум один светодиод расположен на продольной оси центрального тела, и минимум один смещен от продольной оси.
Корпус-радиатор светодиодного осветительного устройства прожектора выполнен из теплопроводного материала в виде горизонтально вытянутого центрального тела, имеющего форму многогранника или тела вращения и служащим концентратором тепла, и примыкающих к нему теплорассеивающих ребер, выполненных в виде пластин. На торце центрального тела располагается источник света. Корпус-радиатор может быть выполнен с основанием в виде пластины.
Возможные варианты исполнения корпуса-радиатора с разным количеством ребер охлаждения показаны на фиг. 3, фиг. 4.
Для обеспечения необходимого технического результата в части расширения и улучшения функциональных характеристик прожектора предлагается следующая схема расположения источников света на торце корпуса-радиатора: центральный источник света расположен на продольной оси центрального тела, периферийный источник света расположен со смещением относительно продольной оси. Источники света могут работать как совместно, так и по отдельности или сегментарно.
Если есть необходимость в освещении пространства непосредственно вблизи перед прожектором, то возможна установка дополнительного источника света на корпус-радиатор с противоположной стороны относительно основного источника света, причем данный источник света располагается под углом к продольной оси. Показано на фиг. 6
На фиг. 5 показана схема возможного размещения источников света на корпусе-радиаторе: источник света 8 расположен в фокусе; источник света 9 расположен с вертикальным смещением от оптической оси для освещения ближней зоны; источники света 10 расположены с горизонтальным смещением от оптической оси для засветки удаленных объектов на кривых участках пути. Все источники света могут работать как вместе, так и по отдельности.
На фиг. 7 приведена схема формирования лучей от источников света: размещенного на оптической оси - штриховка 12; размещенного со смещением вверх от оптической оси -штриховка 13.
На фиг. 8 приведена схема формирования лучей источников света: размещенного на оптической оси - штриховка 12; размещенных со смещением влево и вправо от оптической оси - штриховка 14.
Реализация работы прожектора в режиме «тускло» без ослепления встречного подвижного состава осуществляется путем включения части светодиодов, смещенных вверх от оптической оси, и, соответственно, отклонения части светового потока вниз.
Переключение режимов осуществляется из кабины управления транспортным средством.
Заявляемая группа изобретений позволяет в значительной степени расширить функциональные возможности прожекторов, что дает возможность их применения в качестве осветительных устройств для прожекторных установок железнодорожного транспорта включая подвижной состав, водного транспорта, воздушного транспорта, автомобильного транспорта, прожекторам общего назначения с зеркальным отражателем сферической или параболической формы, поисковым прожекторам, зенитным прожекторам, театральным и концертным прожекторам, тепличным облучателям, а так же к светосигнальным устройствам высокой интенсивности свечения, таких как посадочные, заградительные, глиссадные огни аэродромов, железнодорожные светофоры, речное и морское светосигнальное оборудование.
Осуществление изобретения
Изобретение фиг. 1 осуществляется следующим образом: в корпус прожектора 1 со сферическим или параболическим отражателем 3 (далее отражателем), устанавливается светодиодное осветительное устройство прожектора, состоящее из:
- источника света 5 (светодиоды, или группа светодиодов, или матрица светодиодов с возможностью сегментного включения, или группа светодиодных матриц), ориентированного в сторону отражателя 3;
- корпуса-радиатора 4, жестко прикрепленного к корпусу прожектора 1, например, резьбовым соединением 7.
Для защиты от дождя и пыли прожектор закрывается защитным экраном 2.
Для управления режимами работы источников света 3 устанавливается устройство управления электропитанием - интеллектуальный драйвер 6, который размещается на корпусе-радиаторе 4, или на корпусе прожектора 1. Переключение режимов работы осуществляется машинистом при помощи органов управления из кабины по проводной или беспроводной связи с интеллектуальным драйвером 6. Питание устройства осуществляется от бортовой сети локомотива (судна) или от электросети при стационарной установке.
В случае использования мощных источников света эффект теплорассеяния может быть увеличен за счет использования в конструкции светодиодного осветительного устройства прожектора теплопроводных трубок 15.
Прожектор работает следующим образом: (см. фиг. 5, фиг. 6).
С органов управления прожектором подается команда на устройство управления электропитанием прожектора, которое обеспечивает подачу электропитания на соответствующие полупроводниковые источники света светодиодного осветительного устройства прожектора от бортовой сети или от внешнего источника электроснабжения.
Способ предусматривает следующий порядок формирования КСС:
- для формирования мощного узконаправленного луча света освещения наиболее удаленных объектов, находящихся на расстоянии более 150 метров, включается в работу основной источник света 8, расположенный на оптической оси в фокусе отражателя или близ него.
- для освещения удаленных объектов, смещенных от основного луча, например, на кривых участках пути, включаются в работу дополнительные источники света 10, установленные со смещением влево и вправо относительно оптической оси отражателя в фокусе отражателя или близ него.
- для освещения близких объектов, расположенных на расстоянии от 20 метров до 150 метров, включается в работу источник света 9, расположенный со смещением вверх от оптической оси отражателя.
- для засветки области в непосредственной близости от прожектора, на расстоянии до 20 метров, может предусматриваться дополнительный источник света 11, расположенный на корпусе-радиаторе 4 светодиодного осветительного устройства прожектора и ориентированный в противоположную от отражателя сторону, в сторону защитного стекла прожектора.
Достижение заявленного технического результата с использованием заявляемого изобретения возможно также путем незначительной модернизации существующих прожекторов со сферическим отражателем. Для этого необходимо провести демонтаж лампового источника света и элементов управления световым лучом, при их наличии. Взамен в корпусе прожектора закрепить светодиодное осветительное устройство прожектора таким образом, чтобы источник света, расположенный на нем, оказался вблизи фокусного расстояния, после чего осуществить подключение устройства управления электропитанием. Для возможности управления световым лучом в кабине машиниста должны быть предусмотрены органы управления, имеющие проводную или беспроводную связь с устройством управления электропитанием - интеллектуальным драйвером.
Перечень чертежей
Сущность группы изобретений поясняется чертежами на фиг. 1-9:
Фиг. 1 - Прожектор (вид сбоку);
Фиг. 2 - Прожектор (вид сбоку, светодиодное осветительное устройство прожектора выполнено совместно с корпусом);
Фиг. 3 - Светодиодное осветительное устройство прожектора (корпус-радиатор содержит одно ребро охлаждения, вид сзади и вид сбоку);
Фиг. 4 - Светодиодное осветительное устройство прожектора (возможные варианты выполнения ребер охлаждения на корпусе-радиаторе, вид сзади);
Фиг. 5 - Светодиодное осветительное устройство прожектора (схема размещения источников света, вид сзади);
Фиг. 6 - Светодиодное осветительное устройство прожектора (схема размещения дополнительного источника света, вид сбору);
Фиг. 7 - Схема отклонения луча прожектора при включении источников света, расположенных со смещением вверх от оптической оси;
Фиг. 8 - Схема отклонения луча прожектора при включении источников света, расположенных со смещением влево и вправо от оптической оси;
Фиг. 9 - Светодиодное осветительное устройство прожектора (пример использования теплопроводных трубок, вид сзади и разрез).