автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Исследование и разработка направлений реализации высокоэффективных светодиодных светофоров

На правах рукописи

САВЕЛЬЕВ ЕВГЕНИИ ОЛЕГОВИЧ

Исследование и разработка направлений реализации высокоэффективных светодиодных светофоров

Специальность 05.22 08- Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург-2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации" (УрГУПС МПС РФ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РСФСР Сергеев Борис Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитренко Иван Ермолаевич

кандидат технических наук, профессор Кораблев Евгений Алексеевич

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт управления на железнодорожном транспорте

Защита диссертации состоится "22" апреля 2005 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации" по адресу 620134, г. Екатеринбург, Колмогорова 66, ауд. 215, fax (343)245-01-90

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан марта 2005 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета Университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

АСАДЧЕНКО В.Р.

Актуальность проблемы. Вопросы повышения надежности функционирования и ресурсосбережения были и остаются актуальными для устройств СЦБ. Важность решения этих задач ныне возрастает в той степени, в какой реализуется модернизация железнодорожного транспорта и внедрение информационно-управляющих электронных систем в структуру дороги.

Одними из тех немногих устройств СЦБ, которых до недавнего времени не коснулись достижения современной электроники, являются светофоры. В последнее время эта ситуация изменилась. Появились отечественные разработки светофоров с использованием светодиодных матриц (СДМ), которые имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания.

Основными и наиболее важными положительными свойствами светофоров с применением СДМ являются: время безотказной работы - более 100 тыс. часов, излучение во всем оптическом спектре, что позволило отказаться от светофильтров, наличие которых вызывает потери излучения. Другое преимущество светодиодных структур заключается в более высоком световом выходе, выражаемом отношением потока излучения к потребляемой элементом мощности по сравнению с лампами накаливания для красного (на основе AlGaAs) и желто-оранжевого (на основе AПnGaP) излучателей, следовательно, к снижению потребляемой мощности в 2-5 раз. Это стало возможным благодаря прорыву в технологии получения двойных ге-тероструктур в системе AlInGaP методом газофазной эпитаксии из метал-лоорганических соединений, пересадкой на оптически прозрачную подложку, разработкой специальной геометрии кристалла.

Основной проблемой, препятствующей широкому внедрению светодиодных светофоров на железнодорожном транспорте, является высокая стоимость комплектов, обусловленная, прежде всего, стоимостью самих свето-диодов и, следовательно, СДМ. Несмотря на то, что рынок сбыта светодио-дов интенсивно растет, их цена остается примерно на том же уровне. Это связано со снижением спроса светодиоды некоторых других применений, на-

пример, наружных дисплеев, и с выравниванием цен на красные и зеленые светодиоды по отношению к желтым на InGaP. Кроме того, единичное производство СДМ также не способствует снижению их стоимости. Поэтому рост рынка происходит благодаря существующей конкуренции фирм-производителей и возможности быстрой денежной отдачи (например, ОАО "РЖД") за счет низкой стоимости обслуживания и высокой энергетической эффективности предлагаемых СДМ.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена:

- необходимостью разработки моделей и схемотехнической реализацией энергетически высокоэффективных устройств светодиодных светофоров;

- высокими интегральными показателями экономической эффективности от внедрения светодиодных светофоров.

Цель диссертации. Разработка методологических основ, схемотехнических и практических рекомендаций по расширению функциональных возможностей, проектированию и внедрению в эксплуатацию светодиодных светофоров, что позволит добиться повышения энергетической эффективности, эксплуатационной надежности и эффективности функционирования устройств СЦБ, совершенствования технологического процесса их обслуживания.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Показана возможность создания многозначного однолинзового светодиодного светофора и даны рекомендации по типу используемых в СДМ светодиодов. Предложены схемотехнические решения многозначного одно-линзового светодиодного светофора.

2. Рассмотрена возможность сокращения числа связей п-1 для п -значного светофора, что, в конечном итоге, приведет к уменьшению объема используемой кабельной продукции и снижению эксплуатационных расходов. Предложены схемотехнические решения схем управления многозначным однолинзовым светодиодным светофором.

3. Предложены концептуальные и схемотехнические решения; проведены исследования индуктивных и конденсаторных схем управления СДМ, обладающих энергетической эффективностью, близкой к теоретическому значению.

4. Предложено устройство регулируемого светодиодного светофора, в котором осуществляется непрерывный контроль и управление излучением СДМ светофора и рассмотрена возможность использования информации, получаемой с выхода фотоприемников, для регулирования величины тока, протекающего через светодиоды, вследствие чего реализуется возможность получения замкнутой оптоэлектронной системы автоматического регулирования (ОСАР).

Методы исследования. Для решения поставленных целей использовались методы расчета нелинейных и классические методы расчета электрических цепей при переменном и постоянном напряжениях. Для анализа эффективности излучения однолинзового светодиодного светофора использовались энергетические и цветовые методы расчета оптико-электронных приборов. Для оценки теплопроводности светодиодов в СДМ использовался аппарат одномерного операционного исчисления Лапласа. Для анализа переходных процессов во вторичной цепи импульсной схемы управления (СУ) СДМ решалось уравнение диффузии методом двумерного преобразования Лапласа-Карсона. Для анализа установившихся и переходных процессов работы конденсаторных СУ СДМ использовался метод припасовывания в сочетании с теорией точечных отображений. Для анализа передаточной функции регулируемого светодиодного светофора использовались классические методы теории САР.

Основные положения, выносимые на защиту. Основные положения диссертации, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

Впервые разработаны достаточно полные теоретические основы работы светодиодных светофоров, которые включают в себя:

- исследование эффективности излучения многозначного однолинзо-вого светодиодного светофора.

- исследование процессов работы индуктивной импульсной схемы управления СДМ светофора.

- исследование процессов работы импульсной конденсаторной схемы управления СДМ.

- исследование процессов работы конденсаторной схемы управления постоянного тока СДМ.

- исследование процессов работы регулируемого светодиодного светофора.

Научная новизна работы определяется следующими результатами.

- разработана и обоснована цветовая и энергетическая модели излучения многозначного однолинзового светодиодного светофора.

- разработаны и обоснованы модели индуктивных и конденсаторных схем управления СДМ, обладающих энергетической эффективностью, близкой к теоретическому значению.

- разработана и обоснована модель ОСАР регулируемого светодиодного светофора.

Достоверность полученных результатов исследования подтверждается макетированием, апробацией на научных семинарах и конференциях, результатами научных исследований и рядом публикаций.

Практическая ценность. Разработанные концептуальные направления и их схемотехнические решения позволят сформировать перспективные технические задания на проектирование магистральных светодиодных светофоров.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований включены в перспективные планы предприятий: НПО Вычислительных комплексов (г.Москва), НПО Автоматики (г. Екатеринбург), ВНИИУП (г.Москва), НПЦ "Промэлектроника" (г. Екатеринбург), а также в учебный процесс кафедры электроники УрГУПС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте" ПГУПС в 2003 году, на межкафедральных заседаниях электротехнического факультета УрГУПС в 2003 и 2005 гг., представителями ОАО "Корвет-Лайтс» (г.Москва), ЗАО "Ирсэт-Центр" (г. С.-Петербург), Уральского оптико-механического завода (г. Екатеринбург), ВНИИЖТ (г. Москва), УО ВНИИЖТ (г. Екатеринбург), ВНИИ-УП (г. Москва), научно-технических конференциях: " Безопасность движения поездов " (Москва, 2002), " Инновации с эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта " (Москва, 2003), " Устройства и системы энергетической электроники " (Москва, 2002), направлен отчет о выполнении НИР " Исследование возможностей улучшения технико - экономических показателей светофоров с применением светодиодных матриц" 2003 в ЦШ МПС, ОАО "Корвет-Лайтс", ЗАО "Ирсэт-Центр", ВНИИУП, УОМЗ, УО ВНИИЖТ, ВНИИЖТ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 1 в зарубежной печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. В первой главе дан краткий обзор литературы по железнодорожным светодиодным светофорам, проведен их сравнительный анализ, в результате которого показано, что светодиодные светофоры имеют ряд преимуществ перед традиционными светофорами, содержащие в качестве источника излучения лампы накаливания. Однако их потенциальные возможности могут быть реализованы только на основе детально разработанных основ теории светодиодных светофоров, оптимизации их энергетических режимов работы.

Сформулирована цель диссертации и определен объект исследования -светодиодный светофор. Направления работ (исследований) показаны на структурной схеме рис.1.

Во второй главе с позиций теоретических основ оптической электроники рассмотрена оптическая система, содержащая источников излучения (многокристальных светодиодов), излучающих, соответственно, в красной, зеленой и синей областях спектра. Для анализа световой эффективности синтетического белого цвета представим спектр каждого из составляющих - гауссовским, тогда спектральную плотность суммарного для трех-компонентного белого можно представить в виде

где, оптическая мощность кристалла (светодиода),

пиковые длины волн соответственно красного, зеленого, синего и желтого цветов,

дя„

о\ =

"и;

' 2л/21п2

(2)

- средние квадратичные отклонения, изменение длины волны в мак-

симуме спектра мощности излучения кристалла (светодиода),;- индекс цвета (R,G,B).

Примем, что энергия квантов в максимуме спектра излучения прямо-

.ШоУ

зонных материалов равна ширине запрещенной зоны тогда из-

менение длины волны в максимуме спектра излучения зависит от тем-

пературы р-п перехода Тр_п и температуры окружающей среды Тл следую-

щим образом:

Рис. 1. Структурная схема направлений работ по светодиодным светофорам

\е

При фиксированных значениях длин волн и ширины спектров, балансировка по синтетическому белому цвету производиться изменением электрической мощности, подводимой к кристаллу.

Для трехкомпонентного энергетическое уравнение запишется:

А требуемые координаты цветности, задаваемые ГОСТ 24179-80, можно определить следующим образом:

где (Х,,,,^), (Хц^), (ХС,У0) и (Хц^ц)- нормированные цветовые координаты, соответственно белого, красного, зеленого и синего цветов, а световые эффективности источников, соответственно, желтого, красного, зеленого и синего цветов.

Уравнения (1- 6) позволяют получить синтетические белый и желтый цвета помимо основных (зеленый, красный, синий) для СДМ на основе трехволновых многокристальных светодиодов.

Как известно, надежностные и деградационные характеристики светодиодов, а, значит, и светодиодного светофора в целом, определяет качественное проектирование устройства с учетом ряда факторов

возмущающих воздействий, в том числе, воздействий окружающей среды. При этом температура кристалла (кристаллов) излучателя не должна превышать установленной величины, как правило, указанной производителями светодиодов, а его подложка должна обеспечивать эффективный теплоотвод. Поэтому все существующие ныне многокристальные светодиоды имеют относительно малые габаритные размеры, но состоят из кристаллов, имеющих малую мощность излучения, что обусловлено особенностями их применения, например, в светодиодных экранах и тп. Поэтому в качестве излучателей предлагается использовать многокристальные сверхяркие светодиоды. Для анализа теплопроводности и теплового сопротивления предложенного мощного многокристаль ного излучателя запишем уравнение теплопроводности светодиода в следующем виде

Решение теплового сопротивления светодиода (7) можно представить следующим образом:

■ Р, схр(-г^), р^^Цг-х)1 + г2

[г + г = р2 ехр(- щ), рг = ,](х + г)2 + г2

■ = риехр(-1<ри), рп=л1(х-г)2 +г7

(П)

[г + г = р21 ехр(- щ2), р21 = л!{х + г)1 + г1 Причем (р^, (рг и (рп, <рп обозначают углы, образуемые с положительным направлением оси Ох с векторами, имеющими начала в г и Я соответственно, а концы - в I, Р- мощность источника тепла.

Выражения (9-11) позволяют учитывать изменения теплового сопротивления светодиодов в нестационарных условиях импульсного и температурного воздействий.

В третьей главе с позиций теоретических основ электротехники проведен анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичную цепь индуктивной импульсной схемы управления светодиодной матрицы, изображенной на рис.2.

Для рассматриваемой схемы приняты следующие обозначения: Ь -индуктивность вторичной обмотки трансформатора тока преобразователя,

- ограничительный выпрямительный диод и активное ограничительное сопротивление соответственно, избыточный заряд

неосновных носителей, -эффективное время жизни носителей заряда,

- светодиоды.

Величина силы тока определяется по выражению

^ п,1) -функция Ламберта.

Полученное выражение (12) позволяет определить длительность импульса разряда тока на цепь последовательно включенных светодиодов.

Рис.2. Схема включения светодиодов с применением трансформаторов.

Расчет и анализ периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи схемы управления. Для нахождения распределения концентрации неосновных носителей в период ограничения воспользуемся принципом суперпозиции токов. Эквивалентная схема для анализа и осциллограмма для указанной схемы представлены на рис.3. Примем, что на первом этапе ¿е[0,7о] при включении тока в

цепь ключи S1 и S2 разомкнуты, S3 - замкнут, на втором этапе ?е[7о,7}]

ключи 82 и 83 разомкнуты, 81-замкнут, на третьем этапе Г е ключи 81 и 83 разомкнуты, 82-замкнут. Эти допущения основаны на том, что на практике, как правило, величина Яа « ЮяЛ,.

Рис 3. Эквивалентная схема для анализа переходных процессов в светодиодной цепи

Эквивалентные сопротивления Яэпр и йэсф аЯа и напряжения У^и иобрд, время спада 1разр находятся по осциллограммам.

где а и Ь- импульсные параметры тока во вторичной цепи преобразователя.

Величина обратного тока в цепи может быть определена по выражению

Таким образом, введение в схему ограничивающего резистора Ла и выпрямительного диода КД, позволяет уменьшить величину обратного тока через светодиоды, увеличить время деградации.

В четвертой главе выполнено исследование процессов работы импульсной конденсаторной СУ СДМ, изображенной на рис.4.

Рис.4. Схема высокочастотной импульсной конденсаторной СУ СДМ. Выражения для нахождения силы тока и углов коммутации в импульсной конденсаторной СУ можно представить следующим образом:

У,

яЯ

__У и> __

со8(р -Ю- 7777Т ф - С0<ф + 9 -

(

т

+ <р - ¡)) -

V

и^ V ( ^

Т.УО , I

—-— 1 - ехр -

Я»

(15)

а* +м>2 зт(<» - а + а, - /?г)

( ( \

ехр _ <Р_ -1

V 1 Ъ) )

¡Ь22+и>2 (Ьг-а,)ав

Выражения для определения углов коммутации находятся из:

«иА -«3,1 А

(16)

и.

о ■ г- \ (а1

где /?4 = зт(<^ - а) - ——^^——

За, - 2а, Д + Л.

а,5~т(ф + <р - /}) + + <р - р) а, + и*2

Тю

--£—+->

и „и™)

ехр

л

7С-.

а„=ехр

УМ

а,,=

ехр

( /

ехр V

к — ф

4 1 .2

II.. —

/

ехр

( ф) я-ф

ехр

1 *г) 1 Г2 )

26,-В

Зя,2-2а,4+Л2 (а,-б,)2

_ _ Ь, - а) + н'соэ^ - а) _ (а, - 6, X«, - Ь2)

"п : ; ; Т г I Г- Г

/

ехр

/ \ п-<р

V 2 У

Ь, +

Ъах -2а1А1 + А1 6, - а.

х —>

а, 8т(>сГ0 + <£>-/?) + и'соз(и,/0 +ср - Р)

им

а, +

/ ч и* ^

я, ¿>,

«о*')

ли»)

А1 = а2а3 + а,а} + а1аг, А, = а, + а2 + а}, В = + Ьг

Зависимость среднего значения тока через светодиоды от угла длительности протекания тока через светодиодную цепь представлена на рис.5.

Рис.5. Зависимость среднего значения тока через свето диоды от угла длительности протекания тока через светодиодную цепь. Выражения для определения среднего за период тока в конденсаторной СУ постоянного тока, представленной на рис. 6, можно представить следующим образом:

Рис.6. Схема и временные диаграммы работы конденсаторной СУ постоянного тока СДМ.

Экстремальный угол длительности протекания тока определяется из выражения (19), приведенного в неявном виде

Зависимость среднего значения тока через светодиоды от угла длительности его протекания представлена на рис.7.

Рис.7 Зависимость среднего значения тока через светодиоды от угла длительности его протекания.

Таким образом, полученные выражения конденсаторных СУ СДМ позволяют проектировать высокоэффективные устройства светодиодных светофоров.

В пятой главе проведены исследования средств диагностики и контроля функционирования светодиодных светофоров.

Для схемы, изображенной на рис.8, передаточная функция разомкнутой САР описывается следующим образом:

Из выражений (20) и (21) можно получить систему дифференциальных уравнений для регулируемой величины АII и ошибки ¡¡У

Таким образом, полученные выражения (20-22) позволяют контролировать и управлять излучением светодиодного светофора.

Рис.8 Схема светофора с исключением влияния внешней засветки

светодиодной матрицы Одними из наиболее значительных параметров, влияющих на точность и качество регулирования регулируемого светодиодного светофора, являются параметры оптоэлектронного тракта передачи излучения светодиодов к фотоприемным устройствам. Для устранения указанных недостатков, имеющих место вследствие пространственно разделенных излучателя (светодиодов) и фотоприемников, предлагается устройство, изображенное на рис. 9, содержащее на одной подложке фотодиоды и светоизлучающие кристаллы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы, установлены следующие закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что светодиодные светофоры имеют определенные области рационального применения на железнодорожном транспорте,

2. Предложен многозначный однолинзовый светодиодный светофор, имеющий одну головку, но реализующий несколько показаний. Выполнен анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства.

3. Предложено в качестве излучателей оптической системы светофора использовать сверхяркие многокристальные светодиоды. Выполнен расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме.

4. Предложены схемы устройств конденсаторной и индуктивной СУ СДМ светодиодных светофоров, обладающих энергетической эффективностью, близкой к теоретическому приделу.

4.1. Выполнен анализ индуктивного импульсного схемы управления светодиодной матрицы светодиодного светофора. Найдены уравнения переходных процессов при произвольном включении светодиодов и уравнения периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи схемы управления СДМ светодиодного светофора.

4.2. Выполнен анализ конденсаторных импульсного и постоянного тока схем управления СДМ светодиодного светофора. Анализ переходных процессов в высокочастотной импульсной конденсаторной схемы управления показал необходимость учета паразитных элементов.

5. Предложено устройство регулируемого светодиодного светофора с обратной связью по излучению светодиодов и внешней засветке. Найдены уравнения передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора. Предложено светодиодное устройство для СДМ регулируемого светодиодного светофора, обладающего повышенной точностью и качеством регулирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Новое поколение светофоров// Инновации с эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта / Сб. докл. Научно-практ. конф. "Инновации ОАО "РЖД".- М: ОАО "РЖД", ВНИИЖТ, 2004.- С. 211-212

2. Сергеев Б.С. Ромаш Э.М., Савельев Е.О. Управление светодиодными матрицами с помощью реактивных элементов // Электричество. -2004.- № 9.- С. 57-62.

3. Савельев Е.О. Способы реализации режимов двойного снижения напряжения и светомаскировки светодиодных светофоров // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта / Сб. тез. докл. Всероссийск. НТК: "Проблемы эксплуатационной работы на железнодорожном транспорте, развитие телекоммуникаций и информатизация" .- Екатеринбург.: УрГУПС. - 2002., т.2 - С. 69-73

4. Савельев Е.О. Анализ влияния разброса параметров схемы последовательно включенных светодиодов в импульсном режиме на переходный процесс // Молодые ученые-транспорту / Сб. докл. IV Научно-практ. конф.- Екатеринбург.: УрГУПС, 2003.- С. 143-148.

5. Пат. РФ № 2231826. Светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. №18.

6. Пат. РФ № 2236042 Светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. №25.

7. Пат. РФ № 2237290. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 27.

8. Пат. РФ № 2238592. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 29.

9. Sergeev B.S., Romash E.M., Savelyev. Ye.O. Control of Light-Emitter Diode arrays using Reactive Components// Electrical Technology Russia. -2004.-№3.-P. 147-156.

САВЕЛЬЕВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

Исследование и разработка направлений реализации высокоэффективных светодиодных светофоров

Специальность 05.22.08- Управление процессами перевозок

Лицензия на издательскую деятельность ИД 03581 от 19.12.2000г.

Подписано к печати 15.03.05 г.

Формат бумаги 69*84 1/16 Объем 1,4 п.л. Заказ 66_Тираж 100 экз.

Типография УрГУПС, 620134, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

05.2 2-

г ? млр aies

M

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обзор литературы по светодиодным светофорам.

1.2 Цель диссертации и объект исследования.

Глава 2. МНОГОЗНАЧНЫЙ ОДНОЛИНЗОВЫЙ СВЕТОФОР.

2.1 Введение.

2.2 Анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства.

2.3. Расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме.

2.4 Выводы.

Глава 3. ИНДУКТИВНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ С ДМ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОФОРА.

3.1 Введение.

3.2 Анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

3.3 Расчет и анализ периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

3.4 Выводы.

Глава 4. КОНДЕНСАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ.

4.1 Введение.

4.2 Анализ импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора.

4.3 Анализ переходных процессов в импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора.

4.4 Анализ конденсаторной СУ постоянного тока СДМ светодиодного светофора.

4.5 Выводы.

Глава 5 СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТОФОРОВ.

5.1 Введение.

5.2 Анализ передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора.

5.3 Повышение точности и качества регулирования регулируемого светодиодного светофора.

5.4 выводы.

Вопросы повышения надежности функционирования и ресурсосбережения были и остаются актуальными для устройств СЦБ. Важность решения этих задач ныне возрастает в той степени, в какой реализуется модернизация Л железнодорожного транспорта и внедрение информационно-управляющих электронных систем в структуру дороги.

Одними из тех немногих устройств СЦБ, которых до недавнего времени не коснулись достижения современной электроники, являются светофоры. В последнее время эта ситуация изменилась. Появились отечественные разработки светофоров с использованием светодиодных матриц, которые имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания.

Основными и наиболее важными положительными свойствами светофоров с применением СДМ являются: время безотказной работы - 100 тыс. часов, излучение во всем оптическом спектре, что позволило отказаться от светофильтров, наличие которых вызывает потери излучения. Другое преимущество светодиодных структур заключается в более высоком световом выходе, выражаемом отношением потока излучения к потребляемой элементом мощности по сравнению с лампами накаливания для красного (на основе А1-GaAs) и желто-оранжевого (на основе AlInGaP) излучателей, следовательно, к снижению потребляемой мощности в 2-5 раз. Это стало возможным благодаря прорыву в технологии получения двойных гетероструктур в системе AlInGaP методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, пересадкой на оптически прозрачную подложку, разработкой специальной геометрии кристалла [3,109].

Более высокая энергетическая эффективность светофоров и долгий срок ф службы светофоров с СДМ послужили причиной роста их приобретения зарубежными и отечественными железными дорогами.

Выводы:

1. Установлено, для повышения устойчивости ОСАР регулируемого светодиодного светофора должна обладать астатизмом относительно управляющего воздействия (управляющих воздействий). То есть схема светофора должна содержать, например, пиковые детекторы (интегралы), первый из которых фиксирует значение внешней освещенности, а второй - максимальное значение светового потока цепи светодиодов. При этом составляющая ошибки будет стремиться к нулю при условии, что значение возмущающего воздействия внешней освещенности U^ (/) также будет стремиться к нулю. Величина регулирования AUрег будет стремиться к конечному пределу при условии, если произведение функций Uвх (t)Wj- (р) будет стремиться к величине передаточной функции разомкнутой ОСАР.

2. Установлено, что наиболее значительными параметрами, влияющих на точность и качество регулирования регулируемого светодиодного светофора, являются параметры оптоэлектронного тракта передачи излучения светодиодов к фотоприемным устройствам. Предложена схема светодиодного устройства, в котором светоизлучающие кристаллы и фотоприемники пространственно расположены на одной подложке для повышения точности и качества регулирования (вследствие того, что средняя температура кристаллов будет иметь одинаковую постоянную составляющую температурного поля).

3. Установлено, что дальнейшее повышение качества регулирования регулируемого светодиодного светофора связано с введением термической обратной связи параллельно оптической.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы, установлены следующие закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что светодиодные светофоры имеют определенные области рационального применения на железнодорожном транспорте.

2. Предложен многозначный однолинзовый светодиодный светофор, имеющий одну головку, но реализующий несколько показаний. Выполнен анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства.

3. Предложено в качестве излучателей оптической системы светофора использовать сверхяркие многокристальные светодиоды. Выполнен расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме.

4. Предложены схемы устройств конденсаторной и индуктивной СУ СДМ светодиодных светофоров, обладающих энергетической эффективностью, близкой к теоретическому пределу.

4.1. Выполнен анализ индуктивной импульсной схемы управления светодиодной матрицы светодиодного светофора. Найдены уравнения переходных процессов при произвольном включении светодиодов и уравнения периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

4.2. Выполнен анализ конденсаторных импульсного и постоянного тока схем управления СДМ светодиодного светофора. Анализ переходных процессов в высокочастотной импульсной конденсаторной СУ светодиодного светофора показал необходимость учета паразитных элементов.

5. Предложено устройство регулируемого светодиодного светофора с обратной связью по излучению светодиодов и внешней засветке. Найдены уравнения передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора. Предложено светодиодное устройство для СДМ регулируемого светодиодного светофора, обладающего повышенной точностью и качеством регулирования.

1. Айзерман М.А Теория автоматического регулирования двигателей. Уравнения движения и устойчивость - М.: ГТТИ ,1952. - 523с.

2. Айзерман М.А Классическая механика М.: Наука ,1974. - 368с.

3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП, 1998, т.32, №1, — С.3-18.

4. Абрамов B.C., Агафонов Д.Р., Шишов А.В, и др. Белые светодиоды // Светодиоды и лазеры. Оптоэлектроника и широкозонные полупроводники, 2002, № 1-2, С.25-28.

5. Абрамов B.C., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Метод измерения температуры р-n перехода светодиодов // Светодиоды и лазеры. Оптоэлектроника и широкозонные полупроводники, 2002, № 1-2, С.48-50.

6. Агафонов Д.Р., Иванов B.C., Саприцкий В.И., Столяревская Р.И. Измерение световых характеристик сверхярких светодиодов // Светотехника, 2000, №3 С.9-12

7. Бесекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.- М.: Наука ,1975. 768с.

8. Берг А, Дин П. Светодиоды.-М.: Мир, 1979. 686с.

9. Балашов В.П., Гребнев А.К., Дмитриев В.П. Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов. М.: ВИНИТИ, 1989. - С.3-59-(Итоги науки и техники. Сер. Электроника. Т.24.).

10. Бьюит Р. Фотопроводимость твердых тел М.: Изд-во иностр. лит. ,1963. -386 с.

11. П.Гордеев В.А., Столяревская Р.И., Трубников А.И. Исследования фотометрических характеристик дорожных светофоров на светодиодах // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение /Тезисы докладов XII научно-технической конференции. — Москва, 1996 С.59-61.

12. Гребнев А.К., Гридин В.Н., Дмитриев В.П. Оптоэлектронные элементы и устройства. М.: Радио и связь, 1998. - 336с.

13. ГОСТ 24179 80Е. Светофильтры, светофильтры линзы, рассеиватели и отклоняющие вставки стеклянные для приборов железнодорожного транспорта. - М:. Издательство стандартов, 1980, - 30 с.

14. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление по двум переменным и его приложения. М.: Физматгиз, 1958, - 534 с.

15. Диткин В.А, Кузнецов П.И. Справочник по операционному исчислению. — М.: Физматгиз, 1961, -368 с.

16. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. -М.: Физматгиз, 1961,-256с.

17. Есюнин В.И., Ефрюшкин А.Е. Светодиодные переездные светофоры // Автоматика, связь, информатика 1999, № 12 — С. 25-26.

18. Есюнин В.И. Магистральные светофоры на светодиодах // Автоматика, связь, информатика 2001, № 8.- С. 33-34.

19. Журавель Ф.А., Ильенков А.И. К вопросу о переходной характеристике полупроводникового диода // Радиотехника и электроника, 1966, т.11, №3, С. 564-565.

20. Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977. - 607с.

21. Золина К.Г., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гете-роструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, вып. 9-С. 1055-1061.

22. Иванов B.C., Столяревская Р.И. Фотометрирование светосигнальной продукции на светодиодах // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления 1999 / Материалы IX НТК-Москва, 1999-С. 188-189

23. Ильенков А.И. Переходный процесс в полупроводниковых диодах с учетом фронта переключающего импульса // Радиотехника и электроника, 1963, т.8, №6 , С. 1019-1023

24. Информационные материалы фирмы Siemens: Н. WieP Signal und Draht, 1999, № 12, pp. 26-27.

25. Информационные материалы фирмы Siemens: Georg Ludvig Radke, Environmental Protection, NewsDesk 0047/2, Munich, November 20, 2000.

26. Карлслоу, Г. Теория теплопроводности. М:. Гостехиздат, 1947 - 311с.

27. Карслоу, Г., Егер, Д. Теплопроводность твердых тел. М:. Наука, 1964 -487с.

28. Коган JI.M. Полупроводниковые излучающие диоды М.: Энергоатомиз-дат, 1983.-206с.

29. Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э, Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов 1п-GaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4- С.445^150.

30. Кудряшов В.Е. Механизмы излучательной рекомбинации в гетерострук-турах с множественными квантовыми ямами // Автореферат дисс. На соискание уч. ст. к.ф-м.н., Москва, 2001.

31. Кудряшов В.Е., Золина К.Г., Туркин А.Н., Юнович А.Э, Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, вып. 11-СЛ 304-1309.

32. Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И, Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Люминесценция р-n гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при ударной ионизации // Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, вып. 1-С.63-67.

33. Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И, Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Изменения люминесцентных и электрических свойств светодиодов из гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при длительной работе // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2.-С.224-231.

34. Лисицкая И.Н.,Синицкий Л.А. К вопросу об одной задаче нелинейной электротехники //Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, 1964, № 12. С. 3441.

35. Лисицкая И.Н.,Синицкий Л.А, Шумков Ю.М. Анализ электрических цепей с магнитными и полупроводниковыми элементами Киев, Наукова думка, 1969,-440 с.

36. Мурашова М.А., Пинчук О.П., Юдин Л.П. Оценка мешающего влияния осветительных приборов на видимость сигналов светофоров. // Вестник ВНИИЖТ, 1995, № 4, С. 23 28.

37. Мурашова М.А., Пинчук О.П., Юдин Л.П. О технических требованиях по рациональному размещению светосигнальных и осветительных приборов на станциях // Вестник ВНИИЖТ, 1995, № 6/7/8. С.15 - 17.

38. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника .— М.: Радио и связь ,1989. 360 с.

39. Носов Ю.Р. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. М.: Наука, 1968. - 248с.

40. Неймарк Ю.И. Устойчивость задачи Айзермана-Гайнтмахера // Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, 1958, № 1- С. 21-30.

41. Принято в эксплуатацию: Информация // Автоматика, связь, информатика, 2002, № 1.- С. 39-40.

42. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках .- М.: Мир ,1973. -368 с.

43. Пат. РФ № 2231826. Светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 18.

44. Пат. РФ № 2236042 Светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 25.

45. Пат. РФ № 2237290. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 27.

46. Пат. РФ № 2237291. Светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 27.

47. Пат. РФ № 2237292 Светодиодный светофор (Варианты). / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 14.

48. Пат. РФ № 2238293. Трехзначный светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 27.

49. Пат. РФ № 2238592. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 29.

50. Пат. РФ № 2245003. Устройство отображения информации. / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 17

51. Пат. РФ № 2249524 Регулируемый светодиодный светофор. / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 2

52. Рыбкин С.Н. Фотоэлектрические явления .- М.: Физматгиз ,1963. 568с.

53. Светофоры на светодиодах на железных дорогах США // Железные дороги мира.- 2002, № 7.- С. 68-70.

54. Световые сигнальные указатели на базе светодиодов // Железные дороги мира.- 2000, № 3.- С. 63-65.

55. Сетевая школа "Новые перспективные системы и приборы безопасности", СЦБ Н-Новгород 22 23.08.2001

56. Сергеев Б.С., Щиголев С.А., Любар В.Г. Светодиодные светофоры: проблемы разработки и применения // Автоматика, связь, информатика, 2001, №5.-С. 19-23.

57. Сергеев Б.С, Савельев Е.О. Исследование возможностей улучшения тех-нико-экономи-ческих показателей светофоров с применением светодиодных матриц. Отчет о выполнении НИР.- Екатеринбург: УрГУПС, 2002.-50с.

58. Сергеев Б.С, Савельев Е.О. Выбор направлений работ по разработке светодиодных светофоров // Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. — Самара: СамГАПС. 2003. Вып. 1.- С. 264-267.

59. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Фоторезистивная А^-элементная матрица // Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. -Самара: СамГАПС,- 2003. Вып. 1.- С. 267-270.

60. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Вопросы реализации светодиодных светофоров // Безопасность движения поездов / Труды IV научно-практ. конференции. -М.: МПС.- 16-18 апреля 2003.- С. II-23.

61. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Новое поколение светофоров// Инновации с эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта / Сб. докл. Научно-практ. конф. "Инновации ОАО "РЖД".- М.: ОАО "РЖД", ВНИИЖТ, 2004.- С. 211-212.

62. Сергеев Б.С. Ромаш Э.М., Савельев Е.О. Управление светодиодными матрицами с помощью реактивных элементов // Электричество. 2004.- № 9.-С. 57-62.

63. Савельев Е.О. Проблемы внедрения светодиодных светофоров на железнодорожном транспорте // Молодые ученые-транспорту / Сб. докл. IV Научно-практ. конф.- Екатеринбург.: УрГУПС, 2003.- С. 138-143.

64. Савельев Е.О. Анализ влияния разброса параметров схемы последовательно включенных светодиодов в импульсном режиме на переходный процесс // Молодые ученые-транспорту / Сб. докл. IV Научно-практ. конф.- Екатеринбург.: УрГУПС, 2003.- С. 143-148.

65. Смирнов В.И. Курс высшей математики. -М.: Наука, том 3, 1987. 314с.

66. Сигорский В.П. Общая теория четырехполюсника М.: Изд-во АН УССР, 1955.-455с.

67. Синицкий J1.A, Шумков Ю.М Исследование переходной функции диодно- конденсаторных схем с двумя реактивными элементами. // Радиотехника, 1960, том 12. С. 22-33.

68. Тихонов А.Н., Самарский А.А Уравнения математической физики М.: Гостехиздат, 1951. — 611 с.

69. Шокли В. Теория электронных полупроводников. М.: Изд-во иностр. лит., 1953.-456 с.

70. Шокли В., Рид В. Статистика рекомбинации дырок и электронов. В кн.: Полупроводниковые электронные приборы. - М.: Мир, 1953. - 214 с.

71. Юнович А.Э. Свет из гетеропереходов // Природа, 2001.- № 6, С.3-11.

72. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989,-359 с.

73. Badmann H.W., Hauber Р.Н. and others A Unified Relationship between brightness and luminance, Proceedings CIE, 19 th Session, Kyoto, 1980.

74. Bullough J.D. and others, Luminous Intensity for Traffic Signals: A Scientific Basis for Performance Specifications, Rensselaer Polytechnic Institute, 30 th November, 1999.

75. Bullough J.D. and others Response to Simulated Traffic Signals Using Light -Emitting diodes and incandescent sources. Rensselaer Polytechnic Institute Record (1724); 39,2001.

76. Bullough J.D., Effects of sweeping, color and luminance. Distribution Response to Automotive Stop Lamps. SAE Technical Paper Series 2002 01 -0911,2002.

77. Caltrans. State of California, Department of Transportation, Alternative Traffic Signal Illumination, Final Report, Sacramento, CA: State of California, Department of Transportation, 1997.

78. Conway K.M. Will LEDs Transform traffic signals of they have exit signs?. Proceedings of the Illuminating Engineering Society of North America, Annual Conference, New Orleans, LA, August 9-11, 2001

79. European Committee for Standardization, European Standard : Traffic Control Equipment Signal Heads (Draft), Ref N PREN 12368, 1998.

80. E Source, Inc., Lighting Atlas, Bounds CO: E Source, 1997

81. Fisher A.N. and Cole B.L., The Photometric Requirements of Vehicular Traffic Signal Lanterns, Proceedings of the Australian Road Research Board, Vol 7, 1974

82. Kulakowsky, Susan, Personal communication. Oakland, CA: E solutions operating LED traffic signal rebate program for Pacific Gas & Electric CO. 510-524-4819

83. Lit Young Simple reaction time as a function of luminance for various wavelengths, Perc and Physis, 10 394,1971

84. Mayer, Richael Standard Specifications for LED Traffic Signals, Final Report, Philadelphia PA: City of Philadelphia a Municipal Energy Office, 1996

85. Mayer, Richael Pocketing the savings from LED Signals "Traffic technology Integration" Manasylum, NS: Dialight Corporation, 1997

86. Moley M. and Munro J. Polymer Fly's Eye Light Integration Lens Arrays for Digital Projectors. Proceedings, SID , May, 2000.

87. Moley M. and Munro J. Polymer Fly's Eye Light Integration Lens Arrays for Digital Projectors. Proceedings, SID , May, 2000.

88. Nataniel S.Behura and others, Capability of LSD Traffic Signals, with Existing Traffic Signal Field Equipment, IMS A, Journal March April, 1998.

89. National Police Agency (Japan), Specifications for Metal Vehicle Traffic Control Systems. The national Police Agency, 1966

90. Nakamura S., Fasol J. The blue laser diode, Springer, 1997, p. 296

91. Rea L.S. IESNA Lighting Handbook: Reference on Application, 9 th . New York, NY: Illuminating Engineering Society of North America, 2000

92. Stagl. J. Progressive Railroading, № 4, p 55 57, 2001

93. Weart.W. Progressive Railroading, № 4, p 62 68, 2000

94. Wystern.G Color Science Conceptual and Methods, Quantitative Data and Formulae, John Willy and Sons, New York, 1992

95. Y.L.Li, Th. Gessmann, E.F. Schubert Carrier dynamics in nitride-based light-emitting p-n junction diodes with two active regions emitting at different wavelengths // Journal of applied physics, 2003, vol. 94, num. 4 P.2167-2172