B09 Отличия в излучении, измерении и эксплуатации светофоров на основе светодиодов и ламп накаливания

Заргарьянц Г.С., Михайлов О.М., АНО НТЦСЭ «ИСЭП»; Пивоварова А.Д., СПбГПУ; г. С-Петербург

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Закон «О Техническом регулировании» [1] № 184 ФЗ от 27.12.02 г. [1]   распространяется на обязательные испытания изделий, работа которых может нарушить или обеспечить один из видов безопасности, в данном случае безопасность дорожного движения, напрямую связанную со здоровьем и жизнью человека (участника дорожного движения). Закон о ТР не только устанавливает обязательность и порядок проведения испытаний в соответствии с Техническим регламентом, но и впервые определяет необязательный характер применения национальных и международных стандартов. Стандарты применяются в соответствии с договором сторон.

К настоящему времени Технического регламента по безопасности дорожного движения нет. Научно технический центр «ИСЭП» имеет лицензию на право проведения испытаний светотехнических изделий, световых приборов, огней колёсных транспортных средств и других излучающих устройств с оптико-физическими свойствами.  В практике центра пришлось испытывать различные светофоры и дорожные указатели (знаки),  поэтому накоплен определённый опыт по методам измерения и свойствам излучения различных светофоров. Все изделия имеют технические условия, обеспечивающие соответствие характеристик светофорных модулей требованиям национального стандарта ГОСТ Р 52282-2004 [2], который, в соответствии с договором между производителем и Государственной автоинспекцией, становится основным документом при обязательной сертификации изделий. К сожалению, стандарт [2] разработан для светофорных модулей на основе ламп накаливания с отражающим, рассеивающим и цветным элементом.

Данное сообщение посвящено исключительно методам и результатам испытаний световых и цветовых параметров дорожных светофоров на соответствие требованиям национального стандарта [2], положениям федерального закона о «ТР» [1], ТУ на изделие и  современным определениям  методов измерения освещения, приведенными в международном электротехническом словаре [3]. Положительные результаты испытаний на воздействие окружающей среды (температуры, влажности, агрессивности), виброустойчивости, вибропрочности здесь не описываются.

В «ИСЭП» накоплен опыт проведения обязательной и добровольной сертификации светотехнической продукции (заградительные огни, огни морских спасательных средств, огни колёсных транспортных средств, дорожные указатели и светофоры, архитектурные осветители), так или иначе связанной с безопасностью жизнедеятельности человека. В этих световых и цветовых изделиях в качестве источников излучения применяют как лампы накаливания, так и излучающие диоды (СД). В современной России, как и во всём мире, осуществляется переход от тепловых источников излучения к электролюминесцентным (светодиодам), по причине большей яркости и количеству воспроизводимых цветов (рис. 1).  СД источники обладают специфическими оптико-физическими свойствами и требуют для своей работы меньших затрат на подводимую мощность питания,  срок службы СД практически не ограничен. В то же время экономически они пока уступают традиционным источникам - лампам накаливания, так как для достижения адекватного фотометрического эффекта СД должно быть несколько десятков.


Рисунок 1.  Цветовой охват излучения экранов СОИ на основе светодиодов (линии чёрного цвета) и жидкокристаллических индикаторов (белая линия)

Основными фотометрическими и колориметрическими характеристиками испытуемых светофорных устройств являются: яркость и сила света по оси излучения, координаты цвета и цветности, равномерность яркости по рабочему полю излучения каждого модуля светофора (красный, жёлтый, зелёный), пространственное распределение излучения (индикатриса силы света). Безопасность участников дорожного движения, как и регулирование порядка движения (основное назначение светофора), в значительной степени определяется этими свойствами излучения модулей.

Испытания на соответствие ТУ или ГОСТ с одной стороны позволили определить значение этих характеристик и их изменение во времени и от экземпляра к экземпляру, а с другой стороны - обнаружить неоднозначность толкования определений и методики испытаний в методической документации.

Значения обязательных параметров излучения регламентируются упомянутым стандартом [2], который оптимизирован к излучению одной лампы накаливания, отражённому зеркальным элементом и прошедшим через рассеиватель из соответствующего цветного стекла. Поэтому методы измерений и установление предельных значений величин излучения ориентированы на конструкцию оптической схемы с лампой накаливания.

Полученные при испытаниях характеристики показали, что светодиодные светофоры отличаются от ламповых. Светофоры  на основе светодиодов (их в одной секции может быть до 60 штук) имеют значительно лучшие фотометрические и колориметрические характеристики (без нарушения условий безопасности). Каждый нормативный документ, пусть это будут Правила ООН дорожного движения или национальные стандарты пишутся людьми корпоративного направления и могут иметь несоответствие другим стандартам и разные трактовки.

Строгие измерения габаритной яркости при сканировании плоскости расположения излучателей в модуле светофора классическим яркомером типа ФПЧ (размер объекта измерения от 100 мкм до бесконечности), показали, что яркость излучения СД модуля достигает значений L = (1 … 5)∙106 кд/м2 и значительно превышает значение яркости лампового модуля. Отступление от неравномерности яркости Lмакс/Lмин по полю излучения лампового светофора не идёт ни в какое сравнение со светодиодным светофором: у лампового оно равно 10, у светодиодного не превышает 3.

Термин «осевая сила света»  применяется к источникам излучения прожекторного типа, к которым относятся и ламповые светофоры. В представленной конструкции светодиодных излучателей поле излучения пёстрое и не сконцентрировано общим фокусирующим элементом. Определялась сила света по оси излучения светофора путём измерения освещённости на разных расстояниях. Сила света СД светофоров составляет 2000 кд, а ламповых едва обеспечивает 300 кд.

Особенно нужно остановиться на измерении цветовых характеристик излучения светофорных модулей и неоднозначности трактовки нормативных документов колориметрических понятий по сравнению с международной терминологией [3]. Цвет излучения лампы накаливания в светофоре обуславливается в значительной степени спектральными свойствами цветного стекла, а цвет излучения светодиода - физикой действия p - n перехода в разных электролюминесцирующих  материалах. Международное распределение цветовых тонов по длинам волн при восприятии излучения следующее: красный 610 … 700 нм; жёлтый 575 … 587 нм и зелёный 505 … 550 нм.  На рис. 2, 3 и 4 приведены результаты измерения координат цветности x и y излучающих модулей СД светофоров в стандартной колориметрической системе МКО 1931 г. Одновременно на этих рисунках показано в цвете условное распределение воспринимаемых цветов по международной классификации и допустимые области цветности по требованиям [2] (пунктир).


Рисунок 2. Допустимые цветности излучения и измеренные координаты светофорного модуля красного цвета (1 и 2 до и после прогрева)


Рисунок 3. Допустимые цветности излучения и измеренные координаты светофорного модуля жёлтого цвета

Цвет излучения жёлтого модуля светофора имеет доминирующую длину волны (цветовой тон) действительно жёлтого цвета, а не оранжевого цвета лампового светофора (рис. 3).


Рисунок 4. Допустимые цветности излучения и измеренные координаты светофорного модуля зелёного цвета

Следует обратить внимание на невозможность реализации измерения излучения красного  и жёлтого цвета, так как большинство колориметров имеют абсолютную погрешность измерения цветности, большую, чем Δ = 0,005. Требования же стандарта [2]: координата цветности  красного излучения z должна быть меньше 0,008; а жёлтого - меньше 0,006;  могут быть выполнены прибором с абсолютной погрешностью Δ = 0,0015. Подобных высокоточных (точность ≈ 700)  стандартных СИ нет. Только прецизионная спектрофотометрия и макет колориметра [4] могут обеспечить удовлетворительные результаты измерения цветности.

Термин «яркостной контраст» [2] означает отношение яркости полезного излучения к яркости фонового излучения [3]. На самом деле имеется в виду отступление габаритной яркости от равномерности по полю излучения. Отношение значений максимальной яркости Lмакс к минимальной  Lмин по всему полю светофоров составило для разных модулей от 3,3:1 до 2,2:1 при нормативном требовании для ламповых светофоров 10:1.

Параметра «Светораспределение» [2] не существует в природе и физике фотометрических измерений. Существует понятия индикатрисы излучения, индикатрисы силы света или индикатрисы яркости, которые определяют плоское или пространственное распределения указанных физических величин или их относительных значений. В работе измерялась индикатриса силы света с шагом угла наблюдения 0,5 °. Форма индикатрисы излучения светодиодных светофоров, строго говоря,  не  соответствует  требованиям  [2], но  в  виду большой осевой силы света обеспечивает предельные угловые  характеристики излучения. При изменении угла наблюдения от 0 ° до ± 15 ° в горизонтальной плоскости и от 0 ° до - 15 ° (излучение в сторону дороги) в вертикальной плоскости сила света модулей уменьшается в 5 - 10 раз, что допускается НТД.

В результате были даны рекомендации по внесению изменений в [2] для оптимизации его применения при проведении обязательных испытаний СД светофоров. Срок службы последних практически не ограничен. В то же время экономически (стоимость источника) они пока уступают традиционным источникам - лампам накаливания. Ремонтоспособность и замена элементов излучения в светодиодных светофорах значительно сложнее и дороже, чем у ламповых.

Литература:

  1. Закон 184-ФЗ, Федеральный  закон  «О  техническом   регулировании». - М.:  ГУП  «НТЦ Промышленная безопасность», 2003. -  48 с.
  2. ГОСТ Р 52282-2004. Технические средства организации дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные параметры. Общие технические требования.
  3. Международный электротехнический словарь. Глава 845 «Освещение», N-York. 1999. -  367 с.
  4. Заргрьянц Г. С., Михайлов О. М. Интегральный дистанционный колориметр на основе колориметрической системы КЗФ. «Светотехника», 2008, № 3, с. 19 … 25.

Тематика:

Комментариев: 2


» Кузьмин Владимир (об авторе) { Июнь 9, 2009 - 02:06:39 }

Олег Михайлович! Как то Вы слишком строги к выпускаемым в России колориметрам. Разработанные в НТП “ТКА” и серийно выпускаемые спектроколориметры ТКА-ВД достаточно успешно справляются с вышеупомянутой задачей. Есть неплохие колориметры и у зарубежных (США, Япония, Германия) коллег. Так что ссылку [4] неплохо бы расширить.
С уважением Кузьмин Владимир.

» Малис Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 10:06:23 }

Светодиодные сфетофоры безусловно выигрывают по верности восприятия цвета с точки зрения спектрального состава излучения при прочих равных условиях, однако ведь полупроводниковые источники проигрывают в этой части характеристик при изменении температурных условий работы. Изменения доминирующей длины волны более чем на 10 нм для красного и желтого сигнала неприемлем. В существующих стандартах, по моему, еще не внесены соответствующие изменения для решения проблемы для расширения границ цветности
(ГОСТ 23198-84, ГОСТ 25695-91, ГОСТ 24179-80, МКО №2.2(ТС-1,6) Цвета световых сигналов).
И вообще странно, что не разу не упомянут человеческий аспект, острота зрения, способности нашего зрения. Мы же разрабатываем и исследуем для блага человека, а повышение остроты зрения, четкости и резкости зрительных сцен, восприятие нашего мира более ярким я надеюсь и сделает применение светодиодного освещения главным в будующем.

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
26 queries. 0.104 seconds.