Diodowe światło ostrzegawcze

Diodowe światło ostrzegawcze pojazdów uprzywilejowanych

Diody elektroluminescencyjne, emitują światło quasi monochromatyczne. Z tego powodu znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest wysokiej jakości światło barwne. Jednym z takich zastosowań są światła sygnałowe w transporcie. W oparciu o diody małej mocy został zbudowany prototyp światła ostrzegawczego pojazdów uprzywilejowanych. Zostały opracowane założenia konstrukcyjne lampy, wykonany projekt i zrealizowana cylindryczna matryca diodowa wraz z elektronicznym układem jej sterowania realizująca sygnał ostrzegawczy pojazdów uprzywilejowanych zgodnie z Regulaminem Nr 65 UNECE.

Wprowadzenie

W Zakładzie Techniki Świetlnej Politechniki Warszawskiej praca dydaktyczna ze studentami łączona jest z realizacją rozwojowych prac badawczych. Podejście takie daje studentom możliwość uczenia się rozwiązywania rzeczywistych problemów, a pracy naukowej nadaje świeżości spojrzenia na rozwiązywany problem. W ten nurt dydaktyczno-badawczy wpisuje się zrealizowana w 2007 roku praca dyplomowa inżynierska Roberta Rutkowskiego obejmująca projekt i budowę modelu diodowej lampy sygnałowej świateł ostrzegawczych pojazdów uprzywilejowanych emitującej dookolny sygnał rotacyjny[1].

Wszystkie parametry techniczne pojazdów używanych w transporcie kołowym są znormalizowane. Normalizacji podlegają także sygnały emitowane przez te pojazdy. Obecnie obowiązującymi dokumentami normalizacyjnymi w tym względzie są regulaminy Europejskiej Komisji Ekonomicznej Organizacji Narodów Zjednoczonych (UNECE). Zaprojektowanie i wykonanie prototypu światła sygnałowego wymaga poznania, zrozumienia i właściwego zinterpretowania wymagań. Opracowany projekt musi spełniać te wymagania a ponadto nadawać się do realizacji. Prototyp zrealizowany według projektu musi być przebadany pod kątem zgodności z wymaganiami. Taki proces został wykonany w stosunku do rotacyjnej lampy dookolnej i poniżej opisany.

Wymagania Regulaminu Nr 65 UNECE

Światła ostrzegawcze pojazdów specjalnych i uprzywilejowanych muszą być zgodne z wymaganiami stawianymi przez Regulamin 65 UNECE [2]. Przepisy dopuszczają dwie barwy świateł ostrzegawczych: niebieską dla pojazdów uprzywilejowanych i żółtą (amber - bursztynową) dla pojazdów specjalnych. Zdefiniowane są dwie kategorie świateł: T - dookolna i X - kierunkowa. Wymagania barwne, jak i dotyczące czasów emisji sygnałów dla obu kategorii są jednakowe, różnice są w zakresach kątowych kierunków widoczności sygnału oraz w minimalnej i maksymalnej wartości światłości efektywnej w wybranych kierunkach. Zdefiniowane są dwa poziomy sygnału: dzienny i nocny. Jeżeli nie przewiduje się zmian poziomu emisji sygnału ze względu na porę dnia, spełnione muszą być wymagania, jak dla poziomu nocnego. Emitowany sygnał nie musi być ciągły, może składać się z serii krótkich błysków. Stawiane wtedy dodatkowe wymagania odnośnie przerw pomiędzy poszczególnymi błyskami są zależne od proporcji między najsilniejszym i najsłabszym błyskiem.

Wymagania czasowe określone są przez poniższe wielkości. Częstotliwość ƒ określona jest jako liczba nadawanych sygnałów w przeciągu jednej sekundy i stanowi odwrotność okresu T
. Regulamin 65 ustala zakres dopuszczalnych częstotliwości na 2 do 4 Hz, czyli narzuca okresy od 0,25 s do 0,50 s. Czas nadawania sygnału tH
jest czasem, w którym wartość światłości chwilowej I(t) przekracza 1/10 wartości światłości maksymalnej Im
. Maksymalna wartość czasu tH
może wynosić 0,4/ ƒ, czyli nie więcej niż 0,1 s przy częstotliwości 4 Hz i nie więcej niż 0,2 s przy częstotliwości 2 Hz. Czas przerwy tD
jest zdefiniowany jako czas trwania najdłuższej przerwy w nadawaniu sygnału. Za przerwę uznaje się każdy moment, gdy wartość światłości chwilowej I(t) nie przekracza 1/100 wartości światłości maksymalnej Im
oraz jest niewiększa od 10 cd. Czas przerwy nie może być krótszy niż 0,1 s niezależnie od częstotliwości.

Z takich definicji wynika, że suma czasów tD
i tH
może być mniejsza od okresu T o czas, w którym wartość chwilowa światłości zawiera się w przedziale od 1/100 do 1/10 wartości światłości maksymalnej oraz o czas pozostałych przerw w nadawaniu sygnału. Dodatkowe wymagania dotyczą odstępów czasowych pomiędzy wartościami szczytowymi poszczególnych błysków w przypadku sygnału złożonego z serii błysków. Odstępy te zależą od proporcji miedzy najwyższą i najniższą z nich.

Wymagania fotometryczne są podane w odniesieniu do światłości efektywnej Ie
. Jest to wielkość zależna od światłości maksymalnej, skorygowanej przez czas trwania sygnału i przebieg zmian światłości w czasie:

gdzie

Z analizy zależności Ie
od okresu sygnału T i przebiegu zmian światłości w czasie I(t) wynika, że

Równość zachodzi wyłącznie w przypadku, gdy częstotliwość sygnału wynosi 2 Hz, a sygnał ma przebieg prostokątny o największym dopuszczalnym czasie trwania wartości Im
równym 0,2 s. Skracanie czasu nadawania sygnału lub chwilowe obniżenie jego wartości powoduje konieczność zwiększenia wartości światłości maksymalnej Im
.

Wartości światłości efektywnej dla światła kategorii T w kierunkach odchylonych o określony kąt pionowy od płaszczyzny poziomej przechodzącej przez środek lampy w pełnym kącie poziomym dookoła lampy sygnałowej, w zależności od barwy i poziomu emitowanego sygnału są przedstawione w tab 1.

Tablica 1: Światłość efektywna lampy dookolnej (kategoria T)

Wymagania kolorymetryczne są określone jako dopuszczalny obszar zawarty pomiędzy liniami prostymi na wykresie chromatyczności w układzie (x, y), w którym może znajdować się punkt chromatyczności światła sygnałowego.

Konstrukcja lampy sygnałowej

Do konstrukcji lampy wykorzystano diody małej mocy w obudowach cylindrycznych. Charakteryzowały się znamionową światłością maksymalną równą 7 cd i użytecznym kątem rozsyłu strumienia świetlnego równym 15º. Diody zostały ułożone w 64 kolumnach, rozmieszczonych co 5,625º na obwodzie walca stanowiącego korpus lampy sygnałowej. Do spełnienia wymagań fotometrycznych konieczne jest zastosowanie co najmniej 6 diod w każdej z kolumn. Efekt rotacji sygnału został uzyskany poprzez cykliczne zaświecanie i gaszenie poszczególnych kolumn z odpowiednim przesunięciem w fazie pomiędzy kolejnymi kolumnami. W przypadku zrealizowanego prototypu zastosowano sterowanie 16 kanałowe. W efekcie 4 kolumny diod, po dwie obok siebie po przeciwległych stronach lampy podłączone zostały do jednego kanału sterującego i zapalają się i gasną zawsze równocześnie. Sygnał jest generowany przez równoczesne świecenie, w zależności od opcji sterowania, do 12 kolumn diod położonych koło siebie. Uzyskiwane jest to przez podanie sygnału "ON" w maksymalnie 6 kanałach i "OFF" w pozostałych. Limit 6 świecących kanałów i 10 nie świecących jest podyktowany ograniczeniem czasu nadawania sygnału tH. Zrealizowany prototyp pracuje w trybie 4 kanałów włączonych i 12 wyłączonych. Harmonogram pracy poszczególnych kanałów przedstawia rys. 1.

Założone zostało skonstruowanie lampy zasilanej z instalacji samochodowej o napięciu znamionowym 12V (o napięciu rzeczywistym 13,4V). Ponieważ napięcie pracy pojedynczej diody wynosi około 4,3V zachowując odpowiedni zapas napięcia na regulację i sterowanie można w szereg połączyć tylko 3 diody a więc każdą kolumnę należy rozbić na dwie, równolegle połączone części. Ze względów oszczędnościowych zbudowany prototyp składa się z połowy niezbędnych diod. Prototyp przedstawiony jest na rys. 2.

Podstawowym problemem konstrukcji lampy było zdobycie odpowiednich diod. W ramach realizacji przebadano wiele diod pochodzących od różnych producentów i tylko nieliczne z nich spełniały zadeklarowane w kartach katalogowych parametry znamionowe.

Osiągnięte parametry sygnału świetlnego

Zbudowany model lampy został przebadany fotometrycznie. Zostały wykonane także pomiary zmian wartości światłości w czasie. Kolejne fazy emisji sygnału przedstawione są na rysunkach. Przebiegi czasowe światłości dla różnych kierunków poziomych przedstawione są na rys. 4.

Rys. 4. Przebieg zmian światłości w czasie dla kierunku 0 º od poziomu w płaszczyznach: a) 0 º; b) 1,41 º; c) 2,82 º; d) 4,21 º; e) 5,62 º

Wykonano też analizę przebiegu zmian światłości lampy w przypadku zastosowania sterowania o maksymalnym czasie trwania emisji sygnału. Zwiększenie liczby kanałów o równoczesnym stanie "ON" do 6 zwiększa współczynnik wypełnienia sygnału. Przebieg zmian światłości w czasie dla takiego wysterowania przedstawia rys. 5.

Możliwości dalszego rozwoju modelu

Przedstawiony prototyp lampy światła ostrzegawczego może być potraktowany jako wstęp do dalszych rozważań nad konstrukcją nowoczesnych lamp sygnałowych opartych na technologii diodowej. Możliwe jest zastosowanie w lampie diod dużej mocy w celu zredukowania użytych do jej budowy elementów. Zastosowanie sterowania 16. kanałowego daje niewielką możliwość zmiany emisji poza zrealizowaną zwykłą rotacją. Praktycznie możliwe jest wprowadzenie jednej przerwy. Sposób taktowania poszczególnych kanałów realizującego taki sygnał i uzyskaną charakterystykę zmian światłości w czasie przedstawia rys. 6. Stosowanie dodatkowych przerw w świeceniu poszczególnych diod powoduje jednak zasadnicze obniżenie współczynnika wypełnienia sygnału i konieczność podniesienia wartości światłości maksymalnej. Możliwe jest wprowadzenie wygaszenia wszystkich diod na koniec każdego taktu, jednak taki zabieg będzie niezauważalny. Czas trwania jednego taktu przy częstotliwości 2 Hz wynosi nieco ponad 0,03 s. Czas trwania takiej przerwy może być zrealizowany na poziomie 0,01 s, co jest nie do wychwycenia dla ludzkiego oka.

Użycie sterownika o 32 kanałach w połączeniu z użyciem diod o węższym rozsyle strumienia pozwoliłoby na sterowanie osobno wszystkimi 32 kolumnami znajdującymi się po jednej stronie lampy. W takiej sytuacji czas trwania jednego taktu wynosi 0,15 s, a maksymalny czas nadawania sygnału to 12 taktów. Takie rozwiązanie umożliwia wprowadzenie jednej lub dwóch przerw, także różnej długości i spowodowanie, że sygnał będzie mniej "nudny".

Podsumowanie

Podstawową zaletą wprowadzenia diod elektroluminescencyjnych w lampach świateł sygnałowych jest eliminacja słabo wydajnych źródeł żarowych i zawodnych ruchomych elementów mechanicznych. Diody mają także pewną przewagę nad źródłami wyładowczymi. Wszystkie konwencjonalne źródła zarówno żarowe, jak i wyładowcze emitują światło białe. Światło barwne jest uzyskiwane na drodze filtrowania. Filtr optymalny dla barwy żółtej i źródła żarowego charakteryzuje się współczynnikiem przepuszczania 0,6, dla źródła wyładowczego współczynnik ten wynosi 0,4. Dla barwy niebieskiej współczynnik przepuszczania filtru wynosi 0,3 niezależnie od użytego źródła światła. W przypadku diod dysponujemy światłem quasi monochromatycznym a klosz lampy może być przezroczysty.

Moc pobierana przez pojedynczą lampę sygnałową ze źródłem konwencjonalnym, najczęściej żarowym, wynosi około 60 W. Moc pobierana przez opisaną powyżej lampę diodową wynosi 20 W. W efekcie moc pobierana z instalacji samochodowej przez całe urządzenie sygnalizacyjne, złożone z co najmniej belki zawierającej 2 lampy w przypadku samochodów osobowych lub 4 - 6 lamp w przypadku samochodów większych, jest dużo mniejsza. Rozwiązanie diodowe daje zasadniczą oszczędność energii, a w szczególności odciążenie akumulatora w przypadku używania sygnału przez pojazd nieruchomy.

Literatura:

[1] Felhorski Władysław, Stanioch Wojciech: Kolorymetria trójchromatyczna WNT Warszawa 1973

[2] Rutkowski Robert: Diodowe światło ostrzegawcze pojazdów uprzywilejowanych, praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Warszawska 2007

[3] UNECE regulation No 65. Uniform provisions concerning the approval of special warning lamps for motor vehicles