Regulacja luminacji światła sygnalizacyjnego

Regulacja luminacji światła sygnalizacyjnego w funkcji natężenia oświetlenia

Praca statutowa S/WE/1/06

Układ regulacji zawiera fotodetektor współpracujący z regulatorem oraz obwodem wykonawczym. Fotodetektor przetwarza moc promieniowania otoczenia na sygnał cyfrowy o zmiennej częstotliwości, który jest następnie przetwarzany na sygnał z modulacją PWM, sterujący żarówką. Układ jest zasilany 12V napięciem stałym.

Wprowadzenie

Dążenie do zapewnienia dostatecznej widoczności świateł kierunkowskazów czy też światła stop, także w warunkach oświetlenia promieniami słońca, zmusza konstruktorów do stosowania odpowiednio silnych źródeł światła. W klasycznych, wciąż dosyć powszechnie stosowanych, rozwiązaniach są nimi zwykłe żarówki o mocy 21W.

O ile w świetle dziennym ich luminancja zapewnia dobrą widoczność świateł, o tyle po zmroku może być problemem dla kierowców aut jadących za innym pojazdem. Olśnienie [1] jest szczególnie uciążliwe w warunkach ruchu miejskiego, gdy odległości między pojazdami są niewielkie.

Sytuacja taka jest co najmniej irytująca dla kierowcy - wpływając na jego reakcje powoduje obniżenie bezpieczeństwa ruchu. Dlatego wartym rozważenia jest zastosowanie automatycznej regulacji luminancji świateł sygnalizacyjnych, w przedziale tolerancji określonym przepisami, w zależności od luminancji otoczenia. Taki system zmniejszałby luminancje tylnych świateł sygnalizacyjnych przy słabym natężeniu światła zewnętrznego, padającego na tylny pas nadwozia pojazdu.

Dzięki czemu, tylne światła stopu lub kierunkowskazów nie raziłyby swoim światłem innych użytkowników drogi. W warunkach silnej luminancji otoczenia, np. przy oświetleniu tyłu pojazdu światłami reflektorów innego pojazdu, automatycznie wzrastałaby moc emisyjna świateł sygnalizacyjnych, by zachować kontrast w stosunku do promieniowania tła zapewniający ich widoczność.

W otoczeniu pojazdu może występować wiele źródeł światła i czynników wpływających na widoczność świateł sygnalizacyjnych. Wynika stąd wielotorowość parametrów, które należy uwzględnić w procesie wyznaczania końcowej wartości luminancji lampy sygnalizacyjnej. W niniejszej publikacji przedstawiono koncepcję jednotorowego systemu regulacji automatycznej, który w warunkach rzeczywistych należałoby zwielokrotnić.

Autorzy skoncentrowali się bardziej na przedstawieniu zasady pracy systemu niż na dopasowaniu jego parametrów do konkretnej realizacji oraz parametrów technicznych wynikających z obowiązujących przepisów. Nie rozważano również rozmieszczenia poszczególnych elementów systemu regulacji w karoserii samochodu. Przedstawiona koncepcja może być także implementowana w systemach sygnalizacyjnych z lampami LED.

Koncepcja jednotorowego układu regulacji.

Proponowany układ automatycznej regulacji (korekcji) luminancji żarówek składa się z trzech elementów (Rys. 1): czujnika Φ/f mierzącego natężenie oświetlenia tyłu pojazdu, regulatora zamieniającego sygnał z czujnika na sygnał sterujący oraz z obwodu wykonawczego y/P, sterującego pracą żarówki. Wymienione składniki, w zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego mogą różnić się zastosowanymi do ich budowy elementami.

W układzie eksperymentalnym jako czujnik pomiarowy zastosowano scalony, wielofunkcyjny przetwornik światło/częstotliwość TCS230 firmy Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc. [4]. Generuje on na wyjściu sygnał cyfrowy o częstotliwości zależnej od mocy promieniowania padającej na jego fotoczułą powierzchnię. Elementem fotoczułym jest matryca 64 fotodiod podzielonych na 4 segmenty. Pierwszy segment ma widmową charakterystykę czułości typową dla nie skorygowanych widmowo fotodiod krzemowych. Ten segment był wykorzystywany w przeprowadzonym eksperymencie. W rzeczywistym układzie należałoby zastosować dodatkowy układ korekcji widmowej np. z krzywą Vl. Pozostałe segmenty matrycy mają pasmowe filtry optyczne umożliwiające pomiary trzech podstawowych składowych promieniowania: R, G, B. Wybór odpowiedniego segmentu dokonuje się za pomocą sygnałów sterujących S1 i S2 (Rys. 2). Możliwość pomiaru składowych monochromatycznych ułatwia realizację układu regulacji, w którym elementem końcowym toru zamiast żarówki halogenowej jest lampa LED.

Regulator występujący w układzie jest faktycznie konwerterem zmodulowanego częstotliwościowo światłem sygnału prostokątnego na sygnał prostokątny z modulacją szerokości impulsu (PWM), sterujący bezpośrednio obwodem wykonawczym. Modulacja PWM jest często stosowaną metodą regulacji mocy emisyjnej źródła światła, w tym przypadku żarówki halogenowej. Wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia rośnie średnia wartość mocy elektrycznej przekazywanej do żarówki. Regulację szerokości impulsu zrealizowano dla sygnału prostokątnego o częstotliwości 1kHz. Obwód wykonawczy w omawianym przypadku stanowił klucz tranzystorowy zrealizowany w oparciu o polowy tranzystor mocy N-MOS typu IRF530 [3].

Struktura układu regulatora

Konstrukcja regulatora jako elementu pośredniczącego między czujnikiem pomiarowym a elementem wykonawczym może być różnorodna. W najprostszym, "analogowym" rozwiązaniu mógłby to być zwykły uniwibrator o ustalonym czasie trwania generowanego impulsu. Czas ten należałoby dobrać tak, aby przy oświetleniu światłem dziennym, powodował on, przy uzyskiwanej wtedy z czujnika natężenia oświetlenia częstotliwości impulsów wyzwalających, ciągłą pracę tranzystora kluczującego prąd żarówki. Słabe oświetlenie zewnętrzne będzie powodowało obniżenie częstotliwości impulsów generowanych przez czujnik, a przez to zmniejszenie współczynnika wypełnienia przebiegu sterującego tranzystorem mocy. Jest to jednak sztywny, bez możliwości korekcji on-line sposób wytwarzania sygnału PWM.

Bardziej zaawansowane układy automatycznej korekcji luminancji żarówek świateł sygnalizacyjnych mogą wykorzystywać w charakterze regulatora odpowiednio dobrany mikrokontroler. Zastosowanie mikrokomputera jednoukładowego jako "inteligentnego" regulatora umożliwia zrealizowanie bardziej złożonej, aniżeli tylko liniowa, korekcji mocy świecenia żarówek. Odpowiednio przygotowane oprogramowanie umożliwia uwzględnienie dodatkowych czynników wpływających na jasność świecenia żarówki, takich jak np. dokładna zależność luminancji od impulsowego sterowania przepływem prądu.

Zastosowanie mikrokontrolera jako układu sterującego światłami samochodu wychodzi też na przeciw konstrukcjom nowoczesnych instalacji elektrycznych w pojazdach, które zamiast sieci dedykowanych, indywidualnych połączeń, bazują na cyfrowej magistrali komunikacyjnej (CAN, VAN, ABUC, itp.) oraz wspólnej szynie zasilającej. W analizowanym przypadku regulator zaimplementowano w strukturze programowalnej CPLD.

Układ regulatora zawiera trzy liczniki. Górny licznik zlicza impulsy z czujnika fotoelektrycznego w założonym przedziale czasowym 1 ms. Po upływie tego czasu następuje przepisanie zawartości licznika do rejestru, zaś licznik rozpoczyna nowy cykl zliczania. Po wpisaniu próbki pomiarowej do rejestru, startuje prawy licznik zliczający impulsy o odpowiednio dobranej częstotliwości w układzie dzielnika częstotliwości zbudowanego z lewego licznika i dwójki liczącej na przerzutniku D. Jednocześnie na wyjściu PWM pojawia się stan wysoki. Komparator porównuje stany wyjść rejestru i prawego licznika, po ich zrównaniu wyjście LPM przyjmuje stan niski. Stan niski trwa do momentu pojawienia się kolejnej próbki pomiarowej w rejestrze. Pracę poszczególnych elementów składowych regulatora koordynuje układ sterujący, zdefiniowany programem napisanym w języku HDL. Układ zaimplementowano w strukturze CPLD EPM7128SLC84-7 firmy Altera [2].

Wyniki pomiarów

Pomiarów dokonano w torze pomiarowym zawierającym 12V żarówkę halogenową 20W. Całość układu była zasilana napięciem stabilizowanym 12V, symulującym zasilanie akumulatorowe. Do zasilania układów cyfrowych zastosowano stabilizator o pracy ciągłej obniżający napięcie do 5V. Do pomiarów użyto cyfrowego oscyloskopu firmy Tectronix oraz luksomierza. Zarejestrowano oscylogramy w wybranych, charakterystycznych punktach układu. Na rysunku 3. przedstawiono sygnały układu regulatora. Górny przebieg przedstawia sygnał z wyjścia fotodetektora dla wybranej wartości odbieranej mocy promieniowania otoczenia. Dolny przebieg jest sygnałem wygenerowanym w regulatorze, sterującym bezpośrednio klucz tranzystorowy.

Na rysunku 4. przedstawiono jakościową charakterystykę zmierzonego z odległości 1m natężenia oświetlenia (uzyskanego ze sterowanej żarówki halogenowej) w funkcji częstotliwości wyjściowej fotodetektora, proporcjonalnej do odbieranej mocy promieniowania otoczenia, symulowanego źródłem promieniowania o regulowanej wartości mocy promienistej. W układzie nie były stosowane filtry korekcji widmowej oraz algorytmy linearyzujące charakterystykę sterowania. Uzyskane wyniki należy interpretować jako weryfikację koncepcji rozwiązania, w żadnym wypadku nie stanowię finalnego rozwiązania konstrukcji układu automatycznej regulacji lamp sygnalizacyjnych. Prąd zasilania układu regulacji, w przypadku zastosowania mikrokontrolera jako układu cyfrowego należy oszacować na poziomie kilkudziesięciu mA.

Podsumowanie

Proponowane rozwiązanie zawiera niewielką liczbę elementów składowych. Przeprowadzone badania wykazały, że rozważany układ, po dopasowaniu parametrów technicznych, umożliwia taką regulację w normatywnym zakresie luminancji lampy, żeby minimalizować w obowiązujących warunkach prawnych efekt olśnienia oraz poprawiać widoczność światła sygnalizacyjnego. W przypadku stosowania lamp LED w oświetleniu samochodu, możliwy jest pomiar składowych monochromatycznych promieniowania otoczenia, a w związku z tym oprócz regulacji mocy emisyjnej lampy istnieje również potencjalna możliwość regulacji jej barwy światła w dopuszczalnym zakresie. Stan techniki pozwala na realizację takich systemów oświetleniowych.

Literatura:

[1] Mazur J.W., Żagan W.: Samochodowa technika świetlna, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej, Warszawa, 1997.

[2] Altera: MAX7000 Programmable Logic Device Family, USA, 2005, www.altera.com.

[3] STMicroelectronics:  IRF530 N - channel enhancement mode power mos transistor,  USA, 1999,

www.st.com.

[2] TAOS: TCS230 Programmable color light¬to¬frequency converter, USA, 2004,

www.taosinc.com.