Патент на изобретение №2351018

(54) СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТОФОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области световых приборов, используемых в дорожном движении. Светодиодный светофор имеет две группы светодиодов. Одна группа светодиодов с большой яркостью и другая с широкой диаграммой излучения чередуются на светящейся поверхности светофора. Входное окно выполнено из двух тонких пленок, соединенных ребрами жесткости. Половина светодиодов имеет положительную полярность включения, другая половина – отрицательную. Все светодиоды подключены к источнику переменного тока. Технический результат заключается в формировании лучшей направленности излучения, улучшении осевой силы света, а также в упрощении конструкции светофора.

Светофоры давно используются в дорожном движении. Наиболее распространены конструкции с лампами накаливания и цветными светофильтрами, например, фирмы “Квазар”, которые могут быть прототипом в предлагаемом изобретении. Их основной недостаток – большая потребляемая мощность, небольшой срок службы и, соответственно, большие затраты на эксплуатацию. Светодиодные светофоры ССД имеют ряд преимуществ по сравнению со светофорами на основе ламп накаливания. Ресурс светодиодных модулей составляет более чем 100000 часов и намного превышает ресурс ламп накаливания, что заметно снижает расходы на обслуживание и эксплуатацию, при этом потребление электроэнергии составляет 10-20% от электропотребления лампового светофора. Все это делает установку ССД экономически выгодной и позволяет быстро окупить расходы на переоборудование. Качественное отличие светодиодных светофоров еще и в том, что в них существенно меньше фантомный эффект, т.е. не возникает иллюзии одновременного включения сигнала всех трех секций светофора при солнечной засветке, что повышает безопасность дорожного движения.

Благодаря отсутствию пробок на дорогах, вызванных поломкой светофора, происходит снижение вредных выбросов в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку. Конструкция светофорных секций позволяет изготавливать любую комбинацию типа светофора в соответствии требованиями ГОСТа, при этом по сравнению с ламповыми светофорами в светодиодных отсутствуют светофильтры.

Имеется достаточно много фирм, выпускающих светодиодные светофоры, как в России, так и за рубежом. Среди Российских фирм наиболее известны ЛОМО, Медиа Технологии, Светлана Оптоэлектроника, Украинская фирма НПП Система + Сервис, представляющая торговую марку Комкон, ФГУП БПО «Прогресс» Россия, Республика Башкортостан г. Уфа, Российская фирма ЗАО “Протон” г. Орел совместно с австрийской фирмой Swarco Futurit, Конструкторское бюро “Спецтехника”, Уральский оптико-механический завод и др.

Светодиодные светофоры используют две основные конструкции. Первая – несколько сверхъярких излучателей – светодиодов расположено вблизи фокальной плоскости линзы, формирующей диаграмму направленности излучения светофора (индикатрису излучения). В качестве линзы, как правило, используется плоская линза Френеля. Иногда она же используется и в качестве защитного входного окна светофора. К этой группе, например, относятся светофоры уральского оптико-механического завода. Вторая – большое число излучающих светодиодов, расположенных на одной плоской монтажной плате и имеющих свои собственные линзы. Эти светодиоды для удобства изготовления и питания могут быть объединены в секции или группы, как это сделано в светофорах фирмы Komkon, у которой каждый излучатель светофора (зеленый, желтый, красный) состоит из 24 отдельных, независимых друг от друга секций, объединенных в единую плоскую конструкцию.

К достоинствам первой конструкции следует отнести меньшее число используемых светодиодов и возможность изменения индикатрисы излучения путем перемещения излучающих диодов относительно линзы. Недостаток – применение дорогостоящей линзы, рассеяние большой мощности на излучающих светодиодах в малом объеме, что приводит к их перегреву, небольшая суммарная мощность излучения, что приводит либо к недостаточной осевой силе света светофора, либо к малому угловому полю излучения. Кроме того, вся мощность рассеивается в глубине светофора, при этом входное окно не нагревается и в зимнее время залепляется снегом, который не тает.

Во второй конструкции благодаря большому количеству светодиодов легко получить требуемую осевую силу света, вся рассеиваемая на них мощность нагревает входное окно светофора, на котором тает снег в зимнее время. К недостаткам второй конструкции следует отнести трудность получения достаточно широкого поля излучения при применении светодиодов большой яркости или же недостаточно большую осевую силу света светофора при использовании светодиодов с широкой диаграммой излучения. Кроме того, при большом числе светодиодов возрастает их общая стоимость и стоимость монтажных работ.

В предлагаемом в изобретении решении используется конструкция второго типа. В качестве аналога в заявке на изобретение используется светофор Komcon. Основные характеристики аналога следующие:

Диаметр излучателя – 300 мм.

Яркость свечения светодиодов:

желтые – 320 кд,

зеленые и красные – 400 кд.

Напряжение питания – от 150 до 270 В.

Мощность потребления – 29 Вт.

Питание осуществляется от промышленной электросети 50 Гц.

Каждый излучатель состоит из 24 отдельных, независимых друг от друга секций, что гарантирует безотказную работу этого светофора на перекрестках. Каждая секция снабжена рассеивателем светового потока, который позволяет “усреднить” свечение всей секции.

В предлагаемом изобретении так же, как и в аналоге, используется большое число светодиодов, объединенных в группы или секции. Эти секции монтируются на общей монтажной плате, обеспечивая ее полное заполнение. При этом для получения небходимой яркости освещения используется часть светодиодов повышенной яркости, в которых имеются собственные линзы, обеспечивающие сравнительно небольшое угловое поле излучения, но достаточно большую осевую силу света. Светодиоды равномерно распределены по всей поверхности монтажной платы. Другая часть светодиодов снабжена линзами, формирующими излучаемый пучок в более широком угле. Эти светодиоды также равномерно распределены по всей поверхности монтажной платы и чередуются с более яркими светодиодами. Хотя яркость последних меньше, но и требования к видимости в широких углах ниже. Необходимая яркость свечения может быть получена изменением числа этих светодиодов. Поскольку к светодиодам малой яркости не предъявляется повышенных требований, то и стоимость их существенно ниже, чем светодиодов повышенной яркости. Таким образом в предлагаемой конструкции за осевую силу света в основном отвечают светодиоды повышенной яркости, а за угловое распределение свечения светодиодного светофора – более дешевые обычные светодиоды с широкой диаграммой излучения. Такая комбинация позволяет сформировать требуемую ГОСТ Р 52282-2004 направленность излучения и осевую силу света.

Другая особенность предлагаемого светодиодного светофора заключается в конструкции защитного входного окна светодиодного светофора. Если взять плоское полированное стекло или пластмассу, обеспечивающие достаточно высокий коэффициент пропускания излучения светодиодов светофора, то такое входное окно будет создавать блик от солнца в некотором направлении, который за счет Френелевского отражения от передней и задней поверхности составит около 8% от падающего солнечного излучения и может забивать свечение светофора. В предлагаемой конструкции используется входное окно из тонкой гладкой пластмассовой пленки, которая также хорошо пропускает излучение светодиодного светофора. Пленка легко гнется, и для увеличения ее прочности используются две одинаковые пленки, соединенные между собой ребрами жесткости из того же материала. В результате получается хорошо прозрачная прочная конструкция с неровной поверхностью за счет натяжения и изгиба пленки при приклейке к ребрам жесткости. Такая поверхность будет создавать блики в различных направлениях, в направлении наблюдения при этом будет бликовать очень малая часть поверхности входного окна, а свечение светофора будет видно полностью. Такая конструкция существенно повышает отношение яркости свечения светофора к яркости отраженного солнечного блика. Кроме того, она не требует большого расхода материала и высоких требований к изготовлению, что снижает стоимость изделия.

Третья особенность предлагаемого конструктивного решения – это схема питания излучающих светодиодов. В светофорах-аналогах питание светодиодов происходит постоянным током, как это принято в практике их использования. При этом требуется применение выпрямителя на достаточно большие токи, что приводит к дополнительной потере мощности и снижению общего коэффициента полезного действия устройства. Светодиод одновременно является электрическим диодом, т.е. может выпрямлять переменный ток, при этом он будет светиться только в течение одного полупериода сетевого напряжения. Светодиод при этом будет мигать с частотой питающей сети. Кроме того, для сети такое устройство будет создавать реактивную нагрузку. Для устранения этих отрицательных факторов в предлагаемом схемном решении светодиоды питаются переменным током, и общее количество светодиодов разделено на две группы: одна включена положительной полярностью и работает от одного полупериода питающей сети, другая отрицательной и работает в течение другого полупериода питающей сети. Таким образом, все время горит какая-то группа светодиодов. Отдельные светодиоды в каждой группе чередуются друг с другом так, что каждая группа перекрывает всю поверхность светодиодного светофора. При этом будет наблюдаться некоторое колебание яркости в течение периода питающего напряжения, но колебания будут с удвоенной частотой питающей сети, и глаз на них не будет успевать реагировать. В такой схеме питания отпадает необходимость в применении выпрямителя, что упрощает и удешевляет конструкцию светодиодного светофора.

Формула изобретения

1. Светофор, состоящий из большого количества светодиодных излучателей, установленных на монтажной плате, защитного входного окна и корпуса и отличающийся тем, что, с целью формирования заданного углового распределения при сохранении яркости свечения на монтажной плате светофора установлены попеременно две или больше групп светодиодов с разной расходимостью излучаемого светового потока.

2. Светофор по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения бликов от солнечной засветки, входное окно выполнено в виде двух тонких пластмассовых пленок, соединенных между собой перегородками жесткости из этого же материала.

3. Светофор по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения источника питания, повышения коэффициента полезного действия устройства и снижения стоимости, светодиоды разбиты на две примерно одинаковые группы, в каждой группе светодиоды включены параллельно и установлены равномерно по всей поверхности светофора, но в одной группе полярность включения светодиодов положительная, а в другой отрицательная, и обе группы подключены к источнику переменного напряжения.