Problematika přímé náhrady návěstních žárovek „výkonovými“

Problematika přímé náhrady návěstních žárovek „výkonovými“ svítivými diodami
Petr Štál1
1
Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací, Fakulta elektrotechnická, Západočeská
univerzita v Plzni, Univerzitní 26, 306 14 Plzeň, Česká Republika
[email protected]
1. Úvod
Tento článek volně navazuje na příspěvek s titulem Přehled vlastností vysoce svítivých
diod a možností jejich využití v železniční návěstní optice, který byl prezentován na semináři
K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě II, konaném v roce 2007. Autorem uvedeného článku je doc. Ivan Konečný.
Cílem této práce je seznámit čtenáře s problematikou použití moderních výkonových svítivých diod (LED) v optice železničních světelných návěstidel. Budou popsány problémy a
možné řešení spojené s konkrétní aplikací „výkonových“ svítivých diod užitých namísto
dvouvláknové návěstní žárovky, která slouží ke generování pozitivního signálu ve výstražnících přejezdových zabezpečovacích zařízení.
Prezentované řešení popisuje zařízení sestávající z několika „výkonových“ svítivých diod, které je vhodně uzpůsobeno tak, aby navrhnuté zařízení bylo možné přímo instalovat do
patice návěstní žárovky výstražníku a užít tak stávající optiku výstražníku bez nutnosti jakýchkoli úprav.
2. Moderní „výkonové“ svítivé diody
2.1 Několik slov o technologii výroby „výkonových“ svítivých diod
Moderní „výkonové“ svítivé diody jsou polovodičové prvky, které emitují světlo na základě fyzikálního jevu zvaného injekční elektroluminiscence. Aktivní část těchto prvků je
tvořena nanometrickými heterostrukturami (tvořícími tzv. supermřížku) ze sloučenin InGaN,
jako základní substrát polovodičového čipu je při výrobě nejčastěji využíván safír (Al2O3),
SiC, anebo Si (více v [4]).
Díky některým specifickým vlastnostem GaN (např. šířce zakázaného pásu, která dosahuje hodnot překračujících hranici 3 eV) jsou tyto prvky schopny emitovat velmi intenzivní viditelné záření kratších vlnových délek, než které bylo možné vyzářit svítivými diodami vyrobenými dřívějšími technologiemi. Využitím technologie na vhodné zpracování InGaN sloučenin
tedy v současné době přestala být problematická výroba svítivých diod, které vyzařují velmi
intenzivní monochromatické světlo modré, zelené či ultrafialové barvy (což bylo v dřívějších
dobách prakticky nemožné). (Dříve byly modré „nízkovýkonové“ svítivé diody vyráběny
technologií založenou na zpracování SiC, tato sloučenina je hůře technologicky zpracovatelná, navíc se jedná o tzv. nepřímý polovodič, ze kterého se světelné záření „získává“ poměrně
obtížně.)
Mezi další výhody svítivých diod založených na sloučeninách GaN patří zejména vysoká
hodnota přípustné pracovní teploty čipu LED, vysoká celková účinnost LED a skutečnost, že
interní kvantová účinnost (tj. poměr mezi počtem zářivých a nezářivých rekombinačních pro-
cesů) svítivé diody není prakticky ovlivněna počtem dislokací (poruch krystalové mřížky),
které u ostatních optoelektronických zařízení působí jako tzv. pasti (resp. „traps“) snižující
pravděpodobnost vzniku zářivého rekombinačního procesu.
Příkon moderních „výkonových“ svítivých diod (při zachování minimálních mechanických rozměrů součástek) se pohybuje od jednotek Watt, až po hodnoty překračující hranici
50 W.
Bílé světlo lze s využitím moderních „výkonových“ svítivých diod získat zejména následujícími způsoby:
- Užitím „výkonové“ svítivé diody emitující světlo modré barvy a žlutého luminoforu
(působí jako „konvertor“ vlnových délek záření, je využíváno fyzikálního jevu zvaného fotoluminiscence) – viz obr. 1. Toto řešení je v současné době nejrozšířenější, kvalita podání barev (hodnocena parametrem CRI – viz odstavec 3.3) je při použití uvedeného zdroje světla nejnižší.
- Užitím „výkonové“ svítivé diody emitující světlo ultrafialové barvy a RGB luminoforů. S tímto řešením je do budoucna počítáno jako s nejrozšířenějším způsobem umožňujícím získat kvalitní zdroj světla s dobrým podáním barev. (V současné době není
toto řešení kvůli technologickým problémům spojeným s výrobou ultrafialových „výkonových“ LED příliš rozšířené.)
- Užitím trojice (anebo čtveřice) svítivých „výkonových“ LED emitujících světlo červené, zelené a modré barvy.
Obr. 1 Řez svítivou diodou Luxeon Rebel White. Převzato z [3].
2.2 Porovnání vybraných parametrů „výkonových“ svítivých diod od různých výrobců
Pro dosažení výborné spolehlivosti a získání záruky dlouhé životnosti svítivých diod je
vhodné pro aplikaci „výkonových“ LED v oblasti železniční zabezpečovací techniky uvažovat pouze svítivé diody od renomovaných světových výrobců. Obecné srovnání základních
parametrů „výkonových“ svítivých diod od tří světových výrobců (jejichž produkty jsou bezproblémově dostupné v Čechách) naleznete v tab. 1.
Výrobce
Osram
Philips
Cree
Max. přípustná
teplota čipu
3
1
1
Vyzařovací
úhel
2
1
3
Mechanické rozměry
součástky
3
1
2
Pořizovací
náklady
3
1
2
Tab. 1 Srovnání základních parametrů „výkonových“ svítivých diod od předních světových
výrobců (známka 1 představuje nejlepší možné ohodnocení, známka 3 symbolizuje
nejhorší výsledek v porovnávání údajů z [1], [2], [3]).
Jak je patrné z tab. 1, jednoznačně nejlepších výsledků ve srovnání s ostatními certifikovanými světovými výrobci svítivých diod dosáhly výrobky firmy Philips. Pro aplikaci spojenou s náhradou dvouvláknové návěstní žárovky, která bude sloužit ke generování pozitivního
signálu ve výstražnících přejezdových zabezpečovacích zařízení, nejlépe vyhoví „výkonové“
svítivé diody Philips Luxeon Rebel Cool White (viz obr. 1 a obr. 2 vpravo), a to zejména kvůli následujícím vlastnostem [7] (některé výhodné vlastnosti budou podrobněji rozebrány dále
v textu):
- velmi vysoká hodnota přípustné pracovní teploty čipu svítivé diody (až 150 °C),
- mechanicky nejmenší „výkonová“ svítivá dioda na světě,
- maximální hodnota proudu „výkonovou“ LED v propustném směru 1000 mA,
- jmenovitý příkon 2,5 W (maximální příkon až 3,5 W),
- od vývodů anody i katody elektricky izolovaný vývod „Thermal Pad“, který je určen
pro odvod tepla z čipu LED,
- světelný tok až 180 lm,
- hodnota CRI je vyšší než 80,
- trichromatické souřadnice barvy emitovaného světla vyhovují požadavkům definovaným vyhláškou 173/1995 sb. (bude podrobněji rozebráno v odstavci 5.2.4),
- typický vyzařovací úhel světla je roven 140 ° (při poklesu intenzity záření na 50 %
maximální hodnoty),
- prakticky nulová absorpce vlhkosti okolního prostředí pouzdrem „výkonové“ LED,
- pouzdro ani jiné části svítivé diody neobsahují prvky ohrožující čistotu životního prostředí (LED Luxeon Rebel tedy plně vyhovují směrnici RoHS),
- životnost 50.000 h (při trvalém provozu svítivé diody protékané proudem 700 mA,
teplotě čipu rovné 135 °C a poklesu hodnoty svítivosti na 70 % počáteční hodnoty).
2.3 Specifické vlastnosti „výkonových“ svítivých diod
Mezi typické vlastnosti moderních „výkonových“ svítivých diod (založených na sloučeninách GaN) zajisté patří relativně vysoká hodnota úbytku napětí na „výkonové“ svítivé diodě
polarizované v propustném směru, která se v závislosti na provozních podmínkách a výrobní
toleranci součástky nalézá přibližně v intervalu 2,5 V až 4 V.
K průrazu polovodičového přechodu „výkonových“ svítivých diod dojde i při relativně
nízkém napětí (větším než cca 5 V) přiloženém na svorky LED, jejíž polovodičový přechod je
polarizován v závěrném směru. Proto řada výrobců „výkonových“ LED (např. firma Osram)
chrání své produkty proti nesprávné polarizaci napájecího napětí tím, že do pouzdra LED spo-
lu s „výkonovou“ svítivou diodou integruje i „nevýkonovou“ svítivou diodu, která je k „výkonové“ LED zapojena antiparalelně. Tato ochranná dioda se rozsvítí v případě nesprávné
polarizace napájecího napětí pro „výkonovou“ svítivou diodu.
Důvodem, proč by nemělo dojít k provozu „výkonových“ svítivých diod při takové polarizaci napětí, která odpovídá závěrně polarizovanému polovodičovému přechodu LED, je
skutečnost, že v tomto režimu polarizace napájecího napětí dochází k rapidnímu nárůstu poruch krystalové struktury čipu svítivé diody, a tak jsou degradovány optické vlastnosti LED.
Svítivé diody na rozdíl od žárovek obvykle degradují velmi pomalu, pozvolným poklesem intenzity emitovaného záření (bude podrobněji vysvětleno v odstavci 3.2).
V současné době není znám bezpečný, ani spolehlivý způsob, jak u „výkonových“ svítivých diod zjistit rozsah degradace optických vlastností. Tyto degradace mohou v krajním případě vést až k tomu, že se v polovodičovém čipu stane výhradním rekombinačním procesem
mechanizmus nezářivé rekombinace nosičů. „Výkonová“ LED pak neztratí „vlastnost“, která
je pro diody typická, a to „schopnost“ usměrnit střídavý proud. Dojde však k úplné ztrátě
„schopnosti“ LED emitovat světelné záření v podobě fotonů.
Poruchu svítivé diody, která se projeví trvalým přerušením elektrického obvodu (nejčastější případ), anebo zkratem vstupních svorek LED, lze samozřejmě zjistit velmi snadno.
Uvedený seznam vlastností moderních „výkonových“ svítivých diod rozhodně není vyčerpávající. Další zajímavé vlastnosti moderních „výkonových“ svítivých diod budou uvedeny v textu následujícího odstavce.
Obr. 2 Srovnání svítivých diod (na fotografii vlevo LED Philips Luxeon K2, uprostřed LED
firmy Avago, vpravo LED Philips Luxeon Rebel).
3. Sedm mýtů o svítivých diodách a jejich vlastnostech
3.1 Mýtus prvý: Svítivé diody jsou „studené zdroje světla“
Svítivé diody, stejně tak jako i jiné elektronické prvky, nedosahují účinnosti, která by byla rovna 100 %. Prakticky dosažitelná účinnost moderních „výkonových“ svítivých diod se
pohybuje okolo cca 30 % až 40 % (v současné době již existují ve výzkumných laboratořích
vzorky „výkonových“ svítivých diod, jejichž účinnost převyšuje hranici 50 %). Zbylá část
energie, která není vyzářena ve formě fotonů, je přeměněna na teplo (dojde ke vzniku tzv.
fononů - kmitů krystalové mřížky čipu LED).
Celková účinnost svítivé diody je nepřímo úměrná teplotě okolí, resp. teplotě polovodičového čipu svítivé diody. Při teplotě čipu LED nad 100 °C (což je běžný provozní stav) dojde k částečnému snížení celkové účinnosti svítivé diody a cca 10-15% poklesu svítivosti.
Jak bylo napsáno výše, část energie, která není přeměněna na světelné záření, se přemění
na teplo. Budeme-li uvažovat provoz bílé „výkonové“ svítivé diody napájené z konstantního
zdroje proudu 400 mA, vznikne na diodě úbytek napětí 2,5 V až 4 V (v závislosti na provozních podmínkách a na výrobní toleranci součástky). Celkový příkon svítivé diody tedy bude
(v nejhorším případě) roven 1,6 W. Uvažujme 30% účinnost svítivé diody, pak se při trvale
aktivní svítivé diodě na teplo přemění výkon 1,2 W.
Z hlediska celkové účinnosti „výkonové“ LED a prodloužení životnosti zařízení je nutné
účinným způsobem odvést nežádoucí teplo z čipu svítivé diody (tato problematika bude detailněji rozebrána dále v textu).
3.2 Mýtus druhý: Intenzita a spektrální vlastnosti emitovaného světla jsou neměnné
Vlnová délka emitovaného monochromatického záření z čipu svítivé diody se mění v závislosti na teplotě čipu. S narůstající teplotou čipu LED dochází ke snížení energie zakázaného pásu přechodu LED, a tak je z čipu svítivé diody emitováno monochromatické záření o
delších vlnových délkách. (Se snižující se teplotě čipu LED dochází k jevu opačnému.) Při
praktickém použití svítivých diod je však změna vlnové délky monochromatického záření
vycházejícího z čipu svítivé diody naprosto zanedbatelná (je pevně definována
v katalogových listech výrobce). Obzvláště pak u bílých „výkonových“ svítivých diod, kdy je
část fotonů vycházejících z čipu svítivé diody pomocí luminoforu „převedena“ na světlo žluté
barvy (a tak u bílých „výkonových“ LED vlastně dochází pouze ke změně teploty chromatičnosti).
Se změnou teploty čipu dochází i k posunu prahového napětí svítivé diody (to je způsobeno zejména změnou energie zakázaného pásu polovodičového přechodu LED), a proto je
výhodné tyto optoelektronické prvky budit zejména z napájecího zdroje konstantního proudu
(tato problematika bude podrobněji rozebrána dále).
Vlivem stárnutí polovodičového čipu (resp. nárůstem poruch krystalové struktury čipu
vedoucím na snížení interní kvantové účinnosti LED), zhoršením optických vlastností čočky a
použitého luminoforu (u bílých LED) dochází k pozvolnému snížení intenzity světla emitovaného svítivou diodou. Rychlost degradace je silně závislá zejména na teplotě okolí LED a na
teplotě čipu „výkonové“ svítivé diody.
Na obr. 3 si můžete prohlédnout relativní pokles intenzity světla vyzařovaného „výkonovou“ svítivou diodou Luxeon Rebel modré barvy (vyrobenou technologií založenou na sloučeninách InGaN) trvale protékanou proudem 700 mA, která byla provozována při teplotě okolí rovné 85 °C (při teplotě čipu LED rovné 110 °C). Za těchto podmínek by intenzita světel-
ného záření LED měla poklesnout na 70 % své počáteční hodnoty za dobu delší než 50.000 h
(vyjdeme-li ze statistických údajů uvedených výrobcem [3]).
Velmi podobnou křivku (jako na obr. 3) lze zajisté získat i u „výkonových“ svítivých diod emitujících světlo bílé barvy (vyrobených dříve zmíněnou technologií, tzn. užitím LED
vyzařující světlo modré barvy a žlutého luminoforu).
Při provozu svítivé diody v „konzervativním“ režimu (tj. dioda je protékána proudem nižší hodnoty nebo při nižší pracovní teplotě čipu LED) lze očekávat výrazný nárůst životnosti
LED (viz obr. 4).
Svítivé diody tedy na rozdíl od žárovek nejčastěji degradují velmi pomalu, pozvolným
poklesem intenzity emitovaného světla.
Obr. 3 Relativní pokles intenzity světla vyzařovaného „výkonovou“ svítivou diodou Luxeon
Rebel modré barvy protékané proudem 700 mA, která byla trvale provozována při
teplotě okolí rovné 85 °C a při teplotě čipu LED rovné 110 °C. Převzato z [6].
Obr. 4 Doba života „výkonových“ svítivých diod Luxeon Rebel (emitujících světlo bílé,
modré, azurové a zelené barvy) v závislosti na proudu tekoucím svítivou diodou a
teplotě vývodu pouzdra s označením „Thermal Pad“. Převzato z [6]. (Křivky vycházející ze statistických údajů, kdy došlo k náhlé poruše 50 % testovaných LED nebo
intenzita vyzařovaného světla poklesla pod 70 % počáteční hodnoty.)
3.3 Mýtus třetí: Svítivé diody emitují „kvalitnější světlo“ než žárovky
Jedním z ukazatelů, které podávají informaci o „kvalitě“ světelného záření je tzv. index
podání barev – CRI (Color Rendering Index). Tento ukazatel vyjadřuje stupeň shodnosti vjemu barvy předmětů osvětlených uvažovaným světelným zdrojem a barvy těchto předmětů
osvětlených smluvním zdrojem světla za stanovených podmínek pozorování (více v [13]).
V přirozeném denním světle se barvy vnímají nejvěrněji, tomu odpovídá CRI o hodnotě
100. Podání barev se považuje za uspokojivé, je-li hodnota CRI vyšší než 40; jako světelný
zdroj s kvalitním podáním barev lze označit takový zdroj světla, jehož CRI je vyšší než 70.
CRI u žárovky je roven hodnotě 100, u „výkonových“ LED emitujících bílé světlo (při
použití technologie LED emitující světlo modré barvy a žlutého luminoforu) je obvykle udáván CRI vyšší než 80.
3.4 Mýtus čtvrtý: Svítivým diodám „neprospívá“ přerušovaný režim činnosti (blikání)
Mezi žárovkou a svítivou diodou lze v některých směrech vidět určitou podobnost, ovšem
„výkonovým“ svítivým diodám, na rozdíl od žárovek (kde odpor studeného vlákna dosahuje
podstatně nižší hodnoty než odpor rozžhaveného vlákna žárovky, a proto obzvláště při zapnutí
hrozí přerušení vlákna žárovky) přerušovaný režim svícení „nevadí“. Ba naopak, LED diodám
přerušovaný režim provozu „prospívá“, neboť se součástky mohou lépe chladit.
3.5 Mýtus pátý: Svítivé diody mají malý vyzařovací úhel světla
Typická hodnota vyzařovacího úhlu moderních „výkonových“ LED se pohybuje od hranice 90 ° až k hodnotám převyšujícím 140 °. (Typickou hodnotu vyzařovacího úhlu většina
výrobců udává při poklesu intenzity emitovaného světla LED na 50 % hodnoty maximální
intenzity.) Vyzařovací úhel světla je tedy více než dostatečný pro použití LED v řadě běžných
aplikací.
Pro použití svítivých diod v železniční návěstní optice, která nepoužívá reflektor, lze u
moderních „výkonových“ LED Luxeon Rebel vyzařovací úhel světla považovat za dostatečný
(obvykle je potřeba, aby zdroj světla byl schopen emitovat záření do prostorového úhlu alespoň 120 °). U takovéto optiky v podstatě není využita výhodná vlastnost žárovky, která se
týká velmi širokého (prakticky 360°) prostorového vyzařovacího úhlu.
Předchozí tvrzení však pozbývá pravdy, budeme-li hovořit o optice výstražníků přejezdových zabezpečovacích zařízení, a to jak varovných světel výstražníku, tak i světla pro pozitivní signalizaci. Optika výstražníků je vybavena reflektory, což jak uvidíme dále v textu, je potřeba brát v potaz při návrhu vhodné náhrady návěstní žárovky „výkonovými“ svítivými diodami.
3.6 Mýtus šestý: Intenzitu světla emitovaného svítivými diodami nelze snadno a lineárně řídit
Jistou možnost jak podle okamžité potřeby ovlivnit svítivost „výkonové“ LED představuje použití takového elektronického napájecího zdroje proudu s plynulou regulací, který umožňuje volit proud, jenž protéká svítivou diodou v propustném směru. Tento způsob řízení intenzity světla emitovaného „výkonovou“ svítivou diodou však vykazuje silně nelineární závislost mezi proudem protékajícím svítivou diodou a intenzitou emitovaného světla.
Vhodnější řešení z hlediska linearity regulace svítivosti „výkonové“ LED spočívá v užití
takového zapojení, ve kterém propustně polarizovaná dioda není protékána proudem trvale,
ale je buzena krátkými obdélníkovými proudovými impulzy s definovaným činitelem plnění a
konstantní amplitudou. Frekvence těchto impulzů je natolik vysoká (v řádech desítek kHz), že
kvůli setrvačnosti lidského zraku není možné od sebe jednotlivé impulzy odlišit. Tento režim
provozu LED je velmi vhodný zejména z hlediska plynulého „stmívání“ svítivé diody.
Prakticky všechny v současné době vyráběné integrované obvody DC/DC impulzních
měničů s proudovým výstupem, které jsou určeny k napájení „výkonových“ svítivých diod,
jsou vybaveny speciálním vstupem umožňujícím plynulé stmívání „výkonové“ LED, anebo
lze jednoduchou modifikací zapojení obvodu měnič k tomuto upravit. (Více o problematice
DC/DC impulzních měničů určených pro napájení „výkonových“ LED bude uvedeno dále
v textu.)
3.7 Mýtus sedmý: Svítivé diody jsou polovodičové prvky, a proto nepodléhají stárnutí
Způsob a základní příčiny pozvolné degradace optických parametrů moderních „výkonových“ svítivých diod byly popsány výše v textu v odstavci 3.2. (V současné době není plně
porozuměno všem mechanizmům degradace a rekombinačnímu procesu excitonů u „výkonových“ LED založených na GaN, které tvoří výhradní sortiment dnešního trhu „výkonových“
svítivých diod.)
Nutno poznamenat, že kromě pozvolné degradace svítivosti LED je samozřejmě možný i
případ, kdy dojde k náhlé degradaci svítivé diody, která se nejčastěji projeví přerušením elektrického obvodu (v podstatě se jedná o způsob degradace, který je totožný s přetavením vlákna návěstní žárovky), může však dojít i k poruše, která se projeví jako trvalý zkrat vstupních
svorek LED.
4. Motivace výzkumné činnosti
V prvém kroku při výzkumu možné náhrady návěstní žárovky „výkonovými“ svítivými
diodami je hledána vhodná náhrada dvouvláknové návěstní žárovky, kterou bude možno použít v optice výstražníků přejezdových zabezpečovacích zařízení ke generování pozitivního
signálu. Podrobnější popis návrhu a konkrétního řešení náhrady dvouvláknové návěstní žárovky s využitím „výkonových“ LED bude uveden v následujících odstavcích. V této části
textu bude motivována výzkumná činnost a shrnuty nejdůležitější vlastnosti týkající se výstražníků přejezdových zabezpečovacích systémů.
Uvažujme četnost pojíždění železničních přejezdů vlakovou soupravou na vedlejší trati,
která odpovídá běžnému provozu (tj. přes železniční přejezd v každé hodině přejede přibližně
jedna vlaková souprava). Jednoduchou rozvahou pak dojdeme k závěru, že ke splnění podmínek pro dávání pozitivní signalizace přejezdovým zabezpečovacím zařízením dojde přibližně
v 90 % doby činnosti přejezdového zabezpečovacího zařízení. Vezmeme-li za těchto podmínek v úvahu výhodné vlastnosti moderních „výkonových“ LED ve srovnání s vlastnostmi
dvouvláknové návěstní žárovky, výsledek jednoznačně hovoří pro použití „výkonových“ svítivých diod, a to zejména z následujících důvodů.
Statisticky určená životnost dvouvláknových návěstních žárovek o jmenovitém příkonu
20 W je rovna 600 h, žárovkám navíc, jak již bylo dříve řečeno, „neprospívá“ přerušovaný
režim činnosti. Detailněji jsme se o životnosti „výkonových“ LED pracujících za různých
podmínek provozu zmínili v předchozích odstavcích (2.2 a 3.2), tedy víme, že při vhodně
optimalizovaném návrhu zařízení (z hlediska dobrého odvodu přebytečného tepla z čipů „výkonových“ LED) může být životnost moderních „výkonových“ svítivých diod vyšší o 1-2
řády než životnost dvouvláknové návěstní žárovky.
Jak bylo uvedeno v odstavci 3.4, „výkonovým“ LED přerušovaný režim činnosti „prospívá“, neboť se součástky v čase, kdy dochází k přerušení bílého světla, mohou lépe chladit.
(Kmitočet přerušování bílého světla musí být přibližně roven 40 cyklům za minutu. Doba
svícení musí být rovna 40 % až 60 % doby jednoho cyklu [10].)
Jistou nevýhodou při aplikaci „výkonových“ svítivých diod, která je spojena s náhradou
dvouvláknové návěstní žárovky použité v optice výstražníku přejezdového zabezpečovacího
zařízení, je hodnota vyzařovacího úhlu „výkonové“ svítivé diody, která je typicky rovna 140 °
(viz odstavec 3.5). Optika výstražníků přejezdových zabezpečovacích zařízení, a to jak varovných světel výstražníku, tak i světla pro pozitivní signalizaci, je vybavena reflektory. Jak
uvidíme dále v textu, tento fakt je potřeba brát v potaz při návrhu náhrady návěstní žárovky s
„výkonovými“ svítivými diodami vhodným umístěním „výkonových“ LED tak, aby došlo
k maximálnímu využití plochy reflektoru výstražníku (více bude uvedeno v odstavcích 5 a 6).
Konkrétní řešení konstrukce náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ svítivými diodami je uvedeno a podrobněji popsáno v odstavci 6. Předpokládané výrobní náklady spojené
s konstrukcí této náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ LED přibližně odpovídají dvojaž trojnásobku ceny dvouvláknové návěstní žárovky. Příkon zařízení je roven přibližně 1/4 až
1/3 příkonu 20W návěstní žárovky.
Výhody uvedeného řešení lze nalézt i v možnosti přímé instalace náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ LED do patice návěstní žárovky bez nutnosti jakýchkoli úprav optiky
výstražníku. Toto řešení má bezesporu řadu významných výhod oproti použití „klasických“
dvouvláknových návěstních žárovek nebo v současné době značně rozšířených maticových
návěstidel.
V následujícím textu se čtenář seznámí s výsledky získanými řadou praktických experimentů, na základě těchto výsledků bude v odstavci 6 popsán proces syntézy zabývající se
možnou náhradou návěstní žárovky.
5. Výsledky měření parametrů světelného pole výstražníku
5.1 Pozorování vlivu umístění „výkonových“ svítivých diod na rovnoměrnost jasu výstupní
činné plochy světla výstražníku
„Výkonové“ LED byly rozděleny do dvou nezávislých dvojic (skupiny „výkonových“
LED jsou na následujících obr. 5, 6 a 7 zvýrazněny červeným a modrým orámováním), přičemž byla vždy aktivní pouze jedna dvojice „výkonových“ svítivých diod stejného typu (tj.
Luxeon Rebel Cool White 80 lm, anebo Luxeon Rebel Neutral White 80 lm).
Aktivní „výkonové“ svítivé diody byly protékány proudem v propustném směru rovném
400 mA. Rovnoměrnost jasu výstupní činné plochy světla výstražníku byla pozorována pouze
okem. (Při pozorování okem nebylo možné rozeznat, zdali byla aktivní dvojice „výkonových“
LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm, anebo Luxeon Rebel Neutral White 80 lm. Rovnoměrnost jasu výstupní činné plochy světla výstražníku se tedy zdála být při použití obou zdrojů
světla shodná.)
5.1.1 Čtveřice „výkonových“ svítivých diod umístěných nad ohniskem reflektoru
Obr. 5 Rozmístění „výkonových“ LED na robustním žebrovém chladiči (označeném
CH 13/50) a znázornění rozložení jasu výstupní činné plochy světla výstražníku.
Jak je z obr. 5 patrné, výstupní činnou plochu světla výstražníku je možné rozdělit do 3
zón, jejichž hranice jsou tvořeny třemi soustřednými kružnicemi. První zóna (kružnice
s nejmenším poloměrem) s vysokým jasem odpovídá oblasti, ve které byly umístěny „výkonové“ svítivé diody. Druhá (prostřední) zóna odpovídá zastíněné části reflektoru. Třetí zóna
odpovídá části reflektoru, která byla efektivně využita.
5.1.2 Čtveřice „výkonových“ svítivých diod umístěných v ohnisku reflektoru
Obr. 6 Rozmístění „výkonových“ LED na robustním žebrovém chladiči (označeném
CH 13/50) se zaoblenými hranami a znázornění rozložení jasu výstupní činné plochy
světla výstražníku.
Aby bylo možné umístit čtveřici „výkonových“ LED do ohniska reflektoru, bylo nutné
mechanicky obrobit chladič (zaoblením hran do tvaru eliptického reflektoru) a vylepšit mechanické uchycení.
Prakticky vše zmíněné v odstavci 5.1.1 je možné konstatovat i zde. Poloměry kružnic, které ohraničují jednotlivé zóny, jsou samozřejmě odlišné (viz obr. 6).
5.1.3 Čtveřice „výkonových“ LED umístěných na chladič ve tvaru „střechy“
Obr. 7 Tvar použitého chladiče „výkonových“ LED a znázornění rozložení jasu výstupní
činné plochy světla výstražníku.
Ve snaze vylepšit rozložení jasu výstupní činné plochy světla tak, aby byl jas v celé ploše
co nejvíce rovnoměrný, byl zkonstruován chladič „výkonových“ svítivých diod ve tvaru
„střechy“. A to tak, aby byly „výkonové“ svítivé diody (čtyři – na obrázku není jedna dvojice
v přímé viditelnosti) umístěny do ohniska eliptického reflektoru.
Výstupní činnou plochu světla výstražníku je nyní při pozorování okem možno rozdělit
pouze do dvou zón (viz obr. 7). Eliptická zóna, která odpovídá zastíněné části reflektoru, je
okem mnohem hůře pozorovatelná než prostřední zóna u obr. 5 a 6. Jasová homogenita výstupní činné plochy světla výstražníku je tedy u konstrukce uvedené na obr. 7 výrazně vylepšena.
5.2 Výsledky měření rovinného rozložení svítivosti světelného pole výstražníku
5.2.1 Výsledky měření na výstražníku se zakrytým reflektorem
Při měření byl výstražník (jehož reflektor byl zakryt) osazen dvouvláknovou návěstní žárovkou firmy Philips o jmenovitém příkonu 20 W.
Prakticky bez ohledu na úhel horizontálního natočení výstražníku a zvolené vlákno
(hlavní či náhradní) návěstní žárovky, nepřesáhla svítivost světelného pole výstražníku hodnotu 5,2 cd (pro hodnotu napájecího napětí návěstní žárovky rovného 12 V).
5.2.2 Výsledky měření na výstražníku osazeném návěstní žárovkou
Při měřeních uvedených na obr. 8 a 9 byl výstražník osazen dvouvláknovou návěstní žárovkou firmy Philips o jmenovitém příkonu 20 W.
Při měřeních uvedených na obr. 10 byl výstražník osazen jednovláknovou návěstní žárovkou firmy Narva o jmenovitém příkonu 20 W.
Uvedené charakteristiky byly získány při napájení návěstní žárovky z elektronického napájecího zdroje s nastavitelnou hodnotou výstupního stejnosměrného napětí.
200
150
100
I [cd]
U = 12 V
U = 11,2 V
50
U = 10,2 V
0
‐30
‐10
10
30
Úhel natočení [°]
Obr. 8 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (aktivní hlavní vlákno
dvouvláknové návěstní žárovky).
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
I [cd]
‐30
‐10
U = 12 V
U = 11,2 V
U = 10,2 V
10
30
Úhel natočení [°]
Obr. 9 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (aktivní náhradní vlákno
dvouvláknové návěstní žárovky).
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
I [cd]
‐30
‐10
U = 12 V
U = 11,2 V
10
30
Úhel natočení [°]
Obr. 10 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (osazeného jednovláknovou
návěstní žárovkou).
5.2.3 Výsledky měření na výstražníku osazeném „výkonovými“ svítivými diodami
Svítivé diody byly umístěny na chladič tvaru „střechy“ – viz obr. 7. Nosná konstrukce
chladiče svítivých diod byla vytvořena z tenkého (cca 0,5 mm silného) ohýbaného plechu.
Rozměry chladiče byly následující: délka základny rovnoramenného trojúhelníku – 35 mm,
délka ramen rovnoramenného trojúhelníku – 25 mm. Celková délka chladiče (po hřebenu
„střechy“) – 53 mm.
Nejprve bylo provedeno měření s užitím dvojice „výkonových“ svítivých diod Luxeon Rebel Neutral White 80 lm. „Výkonové“ LED byly protékány proudem If = 600 mA. Nejdříve
bylo provedeno měření rovinného rozložení svítivosti světelného pole výstražníku pro „kladný úhel“ horizontálního natočení výstražníku (tj. pravotočivě pro pozorovatele stojícího za
výstražníkem), až poté bylo provedeno měření pro „záporný úhel“ horizontálního natočení
výstražníku.
Kvůli nežádoucímu nárůstu teploty čipu „výkonových“ svítivých diod došlo ke snížení
vnitřní kvantové účinnosti těchto prvků (po ustálení již nedocházelo k dalšímu poklesu svítivosti světelného pole výstražníku). To se v průběhu vlastního měření projevilo nespojitostí
naměřené charakteristiky v okolí osové svítivosti světelného pole výstražníku. Výsledky měření jsou znázorněny na obr. 11.
120
100
80
60
I [cd]
40
20
0
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
Úhel natočení [°]
Obr. 11 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (při aktivní dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Neutral White 80 lm, If = 600 mA).
Měřicí přípravek (resp. čipy „výkonových“ svítivých diod) jsme po provedeném měření
nechali vždy vychladnout po dobu cca 5 minut na původní pokojovou teplotu. Všechna následující měření byla prováděna výhradně s použitím svítivých diod Luxeon Rebel Cool White
80 lm.
180
160
140
120
100
I [cd]
80
60
40
20
0
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
Úhel natočení [°]
Obr. 12 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (při aktivní dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm, If = 600 mA).
Jak je z obr. 12, 13 a 15 patrné, podle normy ČSN EN 34 2650 [10] je osová svítivost výstražníku dostatečná (norma deklaruje hodnotu osové svítivosti světelného pole výstražníku
100 cd až 800 cd). V potaz je však potřeba brát i hodnoty dalších parametrů uvedených v této
normě, kterým musí zařízení vyhovět (např. hodnoty prostorového rozložení svítivosti světelného pole výstražníku vztažené vzhledem k osové svítivosti návěstidla, rovnoměrnost jasu
výstupní činné plochy světla, atd.). Zde však zařízení nevyhovuje.
Obr. 13-15 ilustrují rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku při aktivní
dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm protékaných v propustném směru polarizace proudy o různých hodnotách.
140
120
100
80
I [cd]
60
40
20
0
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
Úhel natočení [°]
Obr. 13 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (při aktivní dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm, If = 400 mA).
100
90
80
70
60
50
I [cd]
40
30
20
10
0
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
Úhel natočení [°]
Obr. 14 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (při aktivní dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm, If = 300 mA).
Jelikož byla konstrukce chladiče svítivých diod tvaru „střechy“ zkonstruována tak, aby
bylo možné „střechu rozevřít“ a tak od sebe oddálit „výkonové“ svítivé diody, které pak budou umístěny „více kolmo“ k vrcholu paraboly, zavedli jsme mezi tuto dvojici aktivních „výkonových“ svítivých diod mezeru 4 mm. Jak je patrné z obr. 15 (doporučuji srovnat
s obr. 13), došlo ke zvýšení hodnoty osové svítivosti světelného pole výstražníku. Avšak „na
úkor“ znatelného nárůstu nevyužité (resp. zastíněné) plochy reflektoru a tak k celkovému poklesu rovnoměrnosti jasu výstupní činné plochy světla výstražníku.
140
120
100
80
I [cd]
60
40
20
0
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
Úhel natočení [°]
Obr. 15 Rovinné rozložení svítivosti světelného pole výstražníku (při aktivní dvojici „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White 80 lm, If = 400 mA a mechanicky upraveném chladiči tvaru „střechy“).
5.2.4 Výsledky měření trichromatických souřadnic barvy světla emitovaného „výkonovými“
svítivými diodami
Měření bylo vždy provedeno při aktivní dvojici svítivých diod stejného typu (Luxeon
Rebel Neutral White 80 lm, anebo Luxeon Rebel Cool White 80 lm). Každá dioda z aktivní
dvojice byla protékána proudem v propustném směru If = 400 mA. Všechna měření popisovaná v tomto odstavci byla provedena bez použití výstupního filtru světla výstražníku.
Na obr. 16 si můžete prohlédnout výsledek měření spolu s vyznačením oblastí, ve kterých
podle katalogového listu výrobce leží trichromatické souřadnice barev světla emitovaného
„výkonovými“ svítivými diodami Luxeon Rebel (výrobce specifikuje ještě přesnější dělení
uvedených oblastí podle výrobní série „výkonové“ LED a dalších parametrů).
Trichromatické souřadnice barvy pozitivního světla výstražníku by měly náležet oblasti
definované vyhláškou 173/1995 sb., hraniční body této oblasti jsou ve vyhlášce 173/1995 sb.
uvedeny u položky BÍLÁ I. Souřadnice barev hraničních bodů oblasti BÍLÁ I podle vyhlášky
173/1995 sb. byly na obr. 16 rovněž vyznačeny.
0,45
0,43
0,41
173/1995 sb. ‐ BÍLÁ I
0,39
0,37
Luxeon Rebel (Cool White)
y 0,35
Luxeon Rebel (Neutral White)
0,33
0,31
Změřeno Luxeon Rebel Neutral White
0,29
0,27
0,25
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Změřeno Luxeon Rebel Cool White
x
Obr. 16 Trichromatické souřadnice barvy světla pozitivního signálu.
Za stejných podmínek byly dále měřeny i hodnoty jasu aktivního zdroje světla (tj. dvojice
„výkonových“ svítivých diod Luxeon Rebel stejného typu), tyto hodnoty se pro oba páry „výkonových“ svítivých diod prakticky rovnaly. Byla naměřena hodnota jasu 32,9 cd/m2 pro
„výkonové“ LED Luxeon Rebel Neutral White 80 lm a 32,3 cd/m2 pro „výkonové“ LED
Luxeon Rebel Cool White 80 lm.
Nízkou hodnotu osové svítivosti světla výstražníku, viz obr. 11 (ve srovnání
s následujícím obr. 12), lze vysvětlit pomocí obr. 16, ze kterého je patrno, že trichromatické
souřadnice barev emitovaného světla z „výkonových“ LED Luxeon Rebel Neutral White leží
„více vně“ oblast definovanou vyhláškou 173/95 sb. než souřadnice barev emitovaného světla
z „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool White. (Jelikož je jas emitovaného světla u obou
typů „výkonových“ svítivých diod přibližně stejný, můžeme konstatovat, že při použití výstupního filtru světla výstražníku dochází u „výkonových“ LED Luxeon Rebel Neutral White
ke snížení propustnosti emitovaného záření v části spektra, která je potlačena výstupním filtrem světla výstražníku, a tak je snížena efektivita zařízení – viz obr. 11 a 12.)
Z výše uvedeného lze usoudit následující závěr. Pro generování pozitivního signálu je
výhodné použít „výkonové“ svítivé diody Luxeon Rebel Cool White.
6. Prototyp náhrady dvouvláknové návěstní žárovky s „výkonovými“ LED
Na základě výsledků z provedených experimentů, které byly popsány výše v textu, byla
provedena syntéza náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ svítivými diodami. Možné řešení bude podrobněji popsáno v následujících odstavcích.
Při konstrukci prototypu náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ LED, jež je v optice
výstražníku použita pro generování pozitivního signálu, bylo potřeba řešit řadu úloh spojených zejména s:
-
účinným odvodem tepla z čipů „výkonových“ svítivých diod;
-
rozložením svítivých diod tak, aby parametry světelného pole výstražníku vyhovovaly příslušným normám.
Při popisu problematiky se nejprve zaměříme na požadavky spojené s řádným chlazením
„výkonových“ LED, dále budou uvedeny naměřené hodnoty parametrů světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ LED.
V přístrojové skříni zařízení je podle normy ČSN EN 50 125-3 [9] definován rozsah teplot stanovených pro klimatickou třídu T1, který určuje požadavek na provoz zařízení při teplotách -25 °C až +70 °C. Za uvedených podmínek je nemožné provozovat „výkonové“ svítivé
diody bez přídavného chladiče.
Chladicí systém náhrady návěstní žárovky můžeme zjednodušeně charakterizovat rozborem podle obr. 17. Jak je z obrázku patrné, problém správného chlazení „výkonových“ LED
se skládá ze tří základních částí, které jsou charakterizovány pomocí tepelných odporů, tj.
RTHJ-C (tepelný odpor mezi čipem „výkonové“ svítivé diody a vývodem „Thermal Pad“ – viz
obr. 1), RTHPCB (tepelný odpor desky plošného spoje) a RTHHS (tepelný odpor chladiče). Tyto
části musejí být optimalizovány z hlediska odvodu tepla.
Typická hodnota tepelného odporu RTHJ-C mezi čipem „výkonové“ svítivé diody Luxeon
Rebel Cool White a pouzdrem (resp. vývodem „Thermal Pad“ – viz obr. 1) je rovna 10 °C/W
je dána technologicky a je neměnná.
Tepelný odpor desky plošného spoje a tepelný odpor chladiče lze vhodnou konstrukcí
snížit tak, aby zařízení vyhovělo i z hlediska požadavků na vysoký rozsah pracovních teplot.
Možné řešení konstrukce je uvedeno v následujícím textu.
RTHJ-C
RTHPCB
RTHHS
Obr. 17 Ilustrace k problematice spojené s chlazením „výkonových“ svítivých diod.
6.1 Návrh chladiče „výkonových“ svítivých diod
Z dříve uvedených informací lze usoudit následující podmínky týkající se vlastností chladiče „výkonových“ svítivých diod použitých v optice výstražníku (ke generování pozitivního
signálu):
- mechanické rozměry chladiče by měly být co nejmenší tak, aby „výkonové“ LED
umístěné na základně chladiče byly co nejblíže ohnisku parabolického reflektoru světla výstražníku;
- ergonomický tvar chladiče musí zaručit dobrý úchop zařízení a jeho snadnou montáž
do patice návěstní žárovky;
- tepelný odpor chladiče by měl být roven takové hodnotě, aby teplo vzniklé při provozu
„výkonových“ svítivých diod bylo efektivně odvedeno z čipu LED a vyzářeno do okolí, a nebyla tak překročena nejvyšší přípustná teplota čipu „výkonové“ svítivé diody.
Z výše uvedených bodů je zřejmé, že jsou požadavky na chladič „výkonových“ LED
dosti protichůdné. Pro návrh vhodného tvaru chladiče byl využit počítačový program Qled
firmy Qsoft.
Simulované zařízení bylo sestaveno z pětice „výkonových“ LED Luxeon Rebel Cool
White 80 lm, které byly na základnu měděného chladiče umístěny podle obr. 18a. U čtveřice
LED umístěných po obvodu základny chladiče byly při simulaci nastaveny podmínky, při
kterých byla simulována situace, kdy tyto diody byly protékány proudem 400 mA. U páté
LED (umístěné na svrchní straně základny chladiče) byl při simulaci nastaven proud
v propustném směru, který činil 300 mA. Aby se simulace co nejvíce blížila reálné situaci, byl
simulován přerušovaný režim činnosti (s frekvencí 0,66 Hz a 50% činitelem plnění) všech
„výkonových“ svítivých diod. Okolní teplota modelu zařízení byla při simulaci nastavena na
70 °C, atmosférický tlak na 1013,25 hPa, bylo uvažováno nulové proudění vzduchu způsobené okolními vlivy, počáteční podmínky simulace byly dány výpočtem ustáleného stavu (tj.
vycházeli jsme ze situace, kdy by všechny „výkonové“ svítivé diody byly trvale aktivní).
Simulace probíhala přespříliš pomalu, a proto byla pětice „výkonových“ svítivých diod
nahrazena ekvivalentním zdrojem tepla umístěným na svrchní straně základny měděného
chladiče – viz obr. 18b. Výkon tohoto zdroje byl v průběhu tranzientní tepelné simulace skokově přepínán mezi hodnotami 0 W a 6 W, a to s frekvencí 0,66 Hz a 50% činitelem plnění
(viz spodní část obr. 19). Okolní teplota modelu zařízení byla při simulaci nastavena na 70 °C,
atmosférický tlak na 1013,25 hPa, bylo uvažováno nulové proudění vzduchu způsobené okolními vlivy, počáteční podmínky simulace byly dány výpočtem ustáleného stavu (tj. vycházeli
jsme ze situace, kdy byl výkon tepelného zdroje trvale roven 6 W).
Pomocí tranzientní tepelné analýzy byla simulována činnost zařízení po dobu 120 s, byla
sledována teplota v jednotlivých částech modelu. Po uvedené době klesla hodnota nejvyšší
teploty modelu chladiče pod hranici 130 °C (nejvyšší teplota modelu chladiče při simulaci
trvale aktivní pětice „výkonových“ svítivých diod činila 142,6 °C). Při simulaci zařízení (v
přerušovaném režimu činnosti za výše uvedených podmínek) provedené po delší dobu lze
předpokládat další pokles nejvyšší hodnoty teploty chladiče, neboť ustálení systému nastane
přibližně po 350 s (dáno časovou konstantou systému a podmínkami provozu). Takto dlouhá
simulace však nebyla z časových důvodů provedena.
Z výsledků tranzientní tepelné simulace (viz horní část obr. 19) tedy vyplynulo, že budeme-li uvažovat provoz zařízení osazeného „výkonovými“ svítivými diodami za dříve uvedených podmínek, neměla být u „výkonových“ svítivých diod překročena maximální přípustná
teplota čipu (tj. 150 °C).
Proostorové rozzložení skallárního polee teplot mod
delu chladičče po dokonnčení tranziientní tepelné annalýzy je uvvedeno na obr.
o 18c (modrou barvo
ou jsou vyoobrazeny čáásti modelu chladiče
s nižší teplotou;
t
čerrvenou barvvou pak části modelu chladiče, jejiichž teplotaa je nejvyššíí).
Obr. 188 a) Model chladiče ossazeného pěěticí „výkon
nových“ LE
ED Luxeonn Rebel Coo
ol White
80 lm;
c
„výýkonových““ LED a ekv
vivalentníhoo zdroje teppla;
b) model chladiče
c) výsledeek tranzientnní tepelné analýzy mod
delu chladičče.
144
142
140
138
Heeatsink max.
teemperature 136
[ C]
134
132
130
128
0
20
40
6
60
80
100
120
80
0
100
120
Tim
me [s]
Heatsourcce
power
[W]
6
0
0
20
40
6
60
Tim
me [s]
Obr. 199 Výsledek tranzientní tepelné anaalýzy.
Všechny části modelu chladiče (tj. velikost a tvar základny chladiče, počet a rozložení
žeber chladiče atd.), který je uveden na obr. 18, byly optimalizovány. Například – pokud bychom zvýšili délku hrany základny chladiče z 15 mm na 20 mm, tepelný odpor takovéhoto
chladiče (v ustáleném stavu) by poklesl pouze o 1 °C/W na hodnotu 11 °C/W. Fyzické rozměry chladiče by však měly být co nejmenší, abychom se vyhnuli zastínění reflektoru.
Počet žeber chladiče, síla žeber chladiče a celková plocha žeber chladiče velmi silně
ovlivňují tepelný odpor chladiče. Závislost tepelného odporu (v ustáleném stavu) chladiče
z obr. 18 na počtu rovnoměrně rozložených žeber chladiče je uvedena na obr. 20.
Heatsink
thermal
resistance
[°C/W]
15
14
13
12
2
3
4
5
6
Number of fins [-]
Obr. 20 Závislost tepelného odporu (v ustáleném stavu) chladiče na počtu žeber.
Program Qled, který byl použit při návrhu chladiče „výkonových“ svítivých diod, nepodporuje návrh založený na simulaci rotačních objektů. Výsledky simulací byly využity ke konstrukci chladiče pro „výkonové“ LED, který byl zhotoven z mědi podle obr. 21. Ve spodní
části prototypu chladiče „výkonových“ LED byl vytvořen otvor se závitem M5, který slouží k
pevnému spojení chladiče s paticí konektoru BA20D (konektor dvouvláknové návěstní žárovky), viz obr. 21 vpravo.
Obr. 21 Prototyp chladiče „výkonových“ svítivých diod (výška výrobku činí 20 mm, průměr
v nejširší části chladiče je roven max. 30 mm).
6.2 Konnstrukce dessky plošnéhoo spoje se sníženou hod
dnotou tepeelného odpooru
U desek
d
plošnýých spojů vyrobených
v
z velmi čassto používanného materiiálu (FR4, se dvěma
vrstvam
mi mědi o ceelkové tlouššťce 70 µm,, ploše 2 cm
m2 a tloušťcce substrátu 0,8 mm, beez pokovených otvorů) je za standarddních podm
mínek tepeln
ný odpor přřibližně rovven 50 °C/W
W. Takto
vysoká hodnota teppelného odpporu desky plošného spoje
s
je proo aplikaci sppojenou s náhradou
n
návěstnní žárovky v optice výsttražníku zceela jistě nev
vyhovující.
Ke snížení teppelného odpporu desky plošného spoje
s
byl naavržen tepeelně optimallizovaný
motiv [8], který sii můžete prrohlédnout na obr. 22. Jako výchhozí materiáál při výrob
bě desek
plošnéhho spoje podle obr. 22 byl použitt FR4, se dvěma
d
vrstvvami mědi o celkové tloušťce
140 µm
m a tloušťcee substrátu 0,3 mm, s pokoveným
p
mi otvory vyyhotoveným
mi podle uv
vedeného
obrázkuu. Naměřenáá hodnota teepelného oddporu desky
y plošného spoje
s
vyrobené uveden
ným způsobem klesla
k
až k 4 °C/W.
Obr. 222 Otisk motiivu svrchní strany deskky plošného
o spoje se snníženou hoddnotou tepellného
odporu (déélka desky plošného
p
sppoje je rovn
na 14 mm, výška
v
činí 7 mm).
Uveedené řešenní návrhu motivu
m
deskky plošného
o spoje by jistě
j
bylo m
možné dále vylepšit
z hlediska tepelné vodivosti plošného
p
sppoje a odvo
odu nežádouucího tepla z čipu „výkonové“
svítivé diody. Možžné vylepšeení může spočívat nap
př. ve zvýššení počtu ppokovených
h otvorů
v místě pod vývodeem „Therm
mal Pad“ svíttivé diody. Uvedené ottvory pak m
mohou být vyplněny
v
např. teppelně vodivvými epoxiddy nebo teppelně vodivý
ým lepidlem
m (s nízkou teplotní rozztažností
materiállu), a následdně překrytyy vrstvou mědi
m – viz ob
br. 23.
Obr. 233 Řez deskoou plošného spoje se snníženou hod
dnotou tepellného odporru.
Tímto návrhem lze dále snížit tepelný odpor desky plošného spoje o cca 25-50 % oproti
dříve uvedenému řešení. Řešení uvedené na obr. 23 je však značně technologicky komplikované, navíc by došlo k silnému nárůstu nákladů spojených s výrobou desky plošného spoje.
Vzhledem k širokému rozsahu teplot, ve kterých bude zařízení provozováno, by mohlo naopak dojít kvůli rozdílné teplotní roztažnosti výplně pokovených otvorů a substrátu desky
plošného spoje k nárůstu tepelného odporu desky plošného spoje a k vážným poruchám zařízení (více v [7]).
Použité řešení motivu desky plošného spoje (viz obr. 22) je levné, spolehlivé a z hlediska
odvodu tepla z „výkonové“ LED naprosto vyhovující.
6.3 Upevnění desek plošných spojů osazených „výkonovými“ LED k základně chladiče
V návrhu prototypu náhrady návěstní žárovky bylo pamatováno i na řádné upevnění
plošných spojů osazených „výkonovými“ svítivými diodami k základně chladiče. Vzhledem
k velmi malým fyzickým rozměrům zařízení byl zvolen způsob, při kterém jsou desky plošných spojů k základně chladiče upevněny pomocí tepelně vodivého a elektricky nevodivého
lepidla. Toto řešení má své výhody zejména:
-
ve velmi nízké hodnotě tepelného odporu styku mezi deskou plošného spoje a základnou chladiče,
-
ve vyplnění nerovností základny chladiče (vzniklých mechanickým zpracováním),
-
ve zdravotní nezávadnosti (plně vyhovuje směrnici RoHS),
-
v teplotní roztažnosti lepidla, která je prakticky shodná s teplotní roztažností mědi,
-
v garanci širokého rozsahu provozních teplot (garantováno -56 °C až 149 °C),
-
v dlouhodobé stabilitě spoje (min. 20 let),
-
ve velmi krátké době tuhnutí a tvrdnutí lepidla (závislá na teplotě okolí).
S tepelně i elektricky vodivými lepidly je do budoucna počítáno jako s náhradou bezolovnatých pájek, kterou bude možno použít při požadavku na pájení prvků citlivých na vysokou teplotu. (Více v [5].)
6.4 Výsledky měření parametrů světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady
návěstní žárovky s „výkonovými“ LED
Níže uvedené grafy ilustrují naměřené charakteristiky rovinného rozložení svítivosti světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady návěstní žárovky se čtyřmi „výkonovými“ LED umístěnými po obvodu základny chladiče (pátá „výkonová“ svítivá dioda, která je
na obr. 18 umístěna na svrchní straně základny chladiče, nebyla osazena).
V normě ČSN 34 2650 [10] není požadovaná minimální hodnota prostorového rozložení
svítivosti světelného pole výstražníku definována absolutně, nýbrž relativně vzhledem
k maximální hodnotě svítivosti světelného pole v ose výstražníku.
Jelikož po zahřátí čipu „výkonové“ svítivé diody dojde k poklesu účinnosti tohoto prvku,
byla jako referenční hodnota brána hodnota osové svítivosti světelného pole výstražníku po
zahřátí (resp. ustálení teploty čipu) „výkonových“ svítivých diod. (Rozložení minimální svítivosti světelného pole výstražníku stanovené normou je u následujících obrázků dáno charakteristikou zelené barvy. Naměřené hodnoty jsou vyznačeny červenou a modrou barvou.)
180
160
140
120
100
I [cd]
80
60
40
20
0
‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
40
Úhel natočení [°]
Obr. 24 Rozložení svítivosti světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady návěstní žárovky se čtveřicí „výkonových“ svítivých diod protékaných proudem
300 mA (aktivní všechny diody).
200
180
160
140
120
100
I [cd]
80
60
40
20
0
‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
40
Úhel natočení [°]
Obr. 25 Rozložení svítivosti světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady návěstní žárovky se čtveřicí „výkonových“ svítivých diod protékaných proudem
400 mA (aktivní všechny diody).
Jak je z obr. 24 a 25 patrné, zvýšením hodnoty proudu tekoucího „výkonovými“ LED
v propustném směru z hodnoty 300 mA na 400 mA, došlo k nárůstu osové svítivosti světelného pole výstražníku přibližně o 20 %.
Při provozu zařízení za podmínek uvedených u obr. 24 a 25 byla měřena i rovnoměrnost
jasu výstupní činné plochy světla výstražníku. Měření bylo provedeno podle normy
ČSN EN 12368 [11], tj. pomocí luxmetru, jímž byla měřena hodnota osvětlenosti skrze clonu
kruhového tvaru o průměru 2,5 cm. Tato norma stanoví poměr maximálního jasu
k minimálnímu jasu výstupní činné plochy světel na nejvýše 10:1. Orientačním měřením bylo
zjištěno, že zařízení normě vyhovuje (poměr maximálního jasu k minimálnímu jasu výstupní
činné plochy světel byl roven 10:1).
Rovnoměrnost výstupní činné plochy světla výstražníku musí vyhovět normě
ČSN 36 5601-1 [12], která stanovuje průměr clony kruhového tvaru na 1/5 průměru výstupní
činné plochy světla, tj. pro naši aplikaci 4 cm. Poměr maximálního k minimálnímu jasu výstupní činné plochy světel je u návěstidel napájených malým napětím podle této normy stanoven na nejvýše 10:1.
Požadavky na parametry světelného pole výstražníku kladené normou ČSN 36 5601-1,
které jsou závazné pro všechna zařízení vyrobená před přijetím normy ČSN EN 12368, jsou
tedy volnější než požadavky stanovené nově přijatou normou.
Parametry světelného pole výstražníku osazeného prototypem náhrady návěstní žárovky
se čtyřmi „výkonovými“ LED tedy podle výsledků provedených měření vyhovují požadavkům kladeným normami ČSN 34 2650, ČSN 36 5601-1 a ČSN EN 12368.
7. Impulzní měnič pro napájení „výkonových“ svítivých diod
Kvůli požadavkům na provoz zařízení v širokém rozmezí okolních teplot je výhodné budit svítivé diody elektronickým zdrojem, jehož výstupní charakteristiky jsou podobné spíše
zdroji proudu než zdroji napětí. Tento požadavek je nutné dodržet zejména kvůli posunu hodnoty prahového napětí „výkonových“ svítivých diod, která s rostoucí teplotou klesá s rychlostí
přibližně -3 mV/°C.
Prototyp náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ LED vyhoví požadavkům stanoveným normami ČSN 34 2650, ČSN 36 5601-1 a ČSN EN 12368 i při provozu „výkonových”
LED v „konzervativním režimu”, kdy jsou „výkonové” svítivé diody protékány proudem
300 mA. Z hlediska celkového oteplení čipů „výkonových” svítivých diod je proto výhodné
napájet tyto prvky ze zdroje konstantního proudu o co možná nejnižší hodnotě.
Dalšího zvýšení rovnoměrnosti jasu výstupní činné plochy světla výstražníku a zvýšení
osové svítivosti světelného pole výstražníku (oproti hodnotám uvedeným v odstavci 6.4) je
možné dosáhnout použitím páté „výkonové“ LED umístěné na svrchní straně základny chladiče (viz obr. 18a). Tuto „výkonovou“ svítivou diodu je možné napájet nezávislým zdrojem
proudu, jehož výstupní proud může být odlišný od hodnoty proudu, který protéká čtveřicí
zbývajících „výkonových“ LED (předpokládá se, že bude dostačující použití zdroje proudu o
hodnotě 200 mA). Nezávislé řízení svítivosti páté „výkonové“ LED je důležité zejména:
-
z důvodu zvýšení rovnoměrnosti jasu výstupní činné plochy světla výstražníku (příliš
vysoká svítivost tohoto zdroje světla by mohla naopak vést ke zhoršení jasové rovnoměrnosti);
-
z hlediska celkového oteplení čipů „výkonových” svítivých diod (vyšší proud „výkonovou” LED polarizovanou v propustném směru by znamenal nárůst teploty
chladiče).
„Výkonové“ svítivé diody rozmístěné podle obr. 18a mohou být zapojeny různými způsoby. Podle zapojení „výkonových“ LED se liší i konfigurace elektronických zdrojů proudu,
které tyto prvky napájejí.
Vzhledem ke konstrukci náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ svítivými diodami
není možné vestavět impulzní měnič pro napájení „výkonových“ LED přímo k „výkonovým“
LED, tj. do reflektoru světla výstražníku. Proto bude deska plošného spoje s impulzním měničem připevněna na svorky konektoru patice návěstní žárovky na zadní straně reflektoru světla.
Pro napájení „výkonových“ LED je možné využít všechny tři vývody na konektoru patice
návěstní žárovky (tj. vývod pro připojení elektrické zemi, vývody pro napájení hlavního a
náhradního vlákna návěstní žárovky). V současné době nejsme plně rozhodnuti, zdali bude
základna chladiče osazena pěticí „výkonových“ LED (podle obr. 18a), anebo pouze čtyřmi
„výkonovými“ svítivými diodami (podle výsledků doposud provedených měření by i toto
řešení bylo dostačující). V úvahu proto přichází zejména následující konfigurace zapojení
impulzních měničů a „výkonových“ LED uvedená na obr. 26.
S rostoucím užitím „výkonových“ svítivých diod, které se objevují prakticky ve všech
oblastech současné elektrotechniky a průmyslu, roste i nabídka integrovaných obvodů impulzních měničů uzpůsobených pro suboptimální řízení těchto prvků. Portfolio integrovaných
měničů dodávaných na trh světovými výrobci (uveďme např. Linear Technology, National
Semiconductor, ON Semiconductor) je značně rozsáhlé, díky čemuž v současné době není
problém sestavit impulzní měniče různého typu (např. „buck“, „boost“, „sepic“, „buck-boost“
apod.) s širokým rozsahem napájecích napětí (běžně od 3 V až do 70 V), s plynule nastavitelnou hodnotou výstupního proudu, volitelnou spínací frekvencí (od desítek kHz až po jednotky
MHz), pracujících v širokém rozsahu teplot okolí a řadou dalších výhodných vlastností.
Impulzní měnič č. 1
(zdroj konstantního
proudu 300 mA)
Impulzní měnič č. 2
(zdroj konstantního
proudu 200 mA)
Obr. 26 Zapojení impulzních měničů použitých pro napájení „výkonových“ LED.
Oba impulzní měniče z obr. 26 se nacházejí na jediné desce plošného spoje a jsou napájeny ze stejného zdroje stejnosměrného napětí o jmenovité hodnotě 24 V. Impulzní měniče
byly navrženy tak, aby náhrada návěstní žárovky s „výkonovými“ LED byla schopna provozu
od spodní hranice napájecího napětí cca 17 V až po horní hranici napájecího napětí, která je
rovna 36 V.
Z důvodů, které jsou podmíněny širokým rozsahem napájecích napětí impulzních měničů
a požadavkem na vysokou účinnost měničů (přes 90 %), pracují impulzní měniče na relativně
nízkém spínacím kmitočtu 200 kHz. Proto jsou mechanické rozměry desky plošného spoje
použitých impulzních měničů (viz obr. 27) poměrně větší ve srovnání s impulzními měniči,
jejichž spínací kmitočet je v řádech 400 kHz až 2 MHz (viz obr. 28). (Otisk desky plošného
spoje impulzního měniče na obr. 28 není uveden náhodně, předpokládá se užití tohoto měniče
jakožto napájecího zdroje pro „výkonové“ LED v dalších aplikacích spojených s náhradou
návěstní žárovky v optice železničních návěstidel.)
Obr. 277 Rozloženíí součástek impulzníhoo měniče (se spínacím kmitočtem 200 kHz) na
n desce
plošného spoje. (Rozzměry deskyy plošného spoje
s
jsou 6 x 5 cm.)
Obr. 288 Rozloženíí součástek impulzníhoo měniče (se spínacím kmitočtem 400 kHz) na
n desce
plošného spoje. (Rozzměry deskyy plošného spoje
s
jsou 3 x 5 cm.)
by:
Uveedené impuulzní měničee byly navržženy tak, ab
‐
k
konstrukce
m
měniče
bylaa dostatečněě robustní a odolná,
‐
b
bylo
vhodněě optimalizoováno použiití a rozložeení součástekk na desce pplošného sp
poje,
‐
bbyla nízká hodnota
h
EMI (elektrom
magnetická in
nterference)) měniče přii vysoké ho
odnotě
E
EMS
(elektrromagnetickké susceptibbilitě) měničče,
‐
b
bylo
zamezeeno zničení měniče při trvalém odp
pojení zátěžže,
‐
b
bylo
zamezeeno zničení měniče při trvalém zkrratu na výsttupních svorrkách,
‐
b snížen vliv kolísání napájecíhoo napětí na výstupní
byl
v
prooud,
‐
b nízký vliiv teploty okolí měničee na výstupn
byl
ní proud.
V katalogových listech integrovaných obvodů impulzních měničů často chybí informace o
posledním bodu z výše uvedeného seznamu, tj. o závislosti výstupního proudu měniče na teplotě okolí. Naměřenou charakteristiku pro impulzní měnič zapojený podle obr. 28 (tento měnič je založen na stejném řídícím integrovaném obvodu jako měnič na obr. 27) si můžete prohlédnout na obr. 29.
Jak je z obr. 29 patrné, výstupní proud impulzního měniče se při měření v uvedeném rozsahu teplot změnil pouze o 10 mA, což se na svítivosti „výkonových“ LED neprojeví jinou
než zanedbatelnou měrou.
I [A]
0,47
0,46
0,45
0,44
0,43
0,42
-20
0
20
40
60
80
t [°C]
Obr. 29 Závislost výstupního proudu impulzního měniče z obr. 28 na teplotě okolí.
8. Závěr
Prezentované řešení popisuje možnou náhradu dvouvláknové návěstní žárovky, která využívá čtyři „výkonové“ svítivé diody. Zařízení je vhodně uzpůsobeno tak, aby:
-
konstrukce byla dostatečné robustní a odolná,
-
jej bylo možné přímo instalovat do patice návěstní žárovky výstražníku,
-
bylo možné užít stávající optiku výstražníku bez nutnosti jakýchkoli úprav,
-
spolehlivost a životnost zařízení byla co nejvyšší,
-
cena zařízení byla konkurenceschopná stávajícím systémům.
Uvedené řešení má bezesporu řadu významných výhod oproti použití „klasických“ dvouvláknových návěstních žárovek nebo v současné době značně rozšířených maticových návěstidel.
Statisticky určená životnost současných LED provozovaných v konzervativním režimu je
o více jak 1 řád (prakticky více než o 2 řády) vyšší než životnost dvouvláknové návěstní žárovky deklarovaná výrobcem. (Absenci náhradního vlákna žárovky lze tedy v návrhu náhrady
návěstní dvouvláknové žárovky s „výkonovými“ LED vyvážit vysokou spolehlivostí celého
zařízení.) V případě poruchy zařízení nemohou být porušeny základní principy zabezpečovací
techniky, neboť zařízení vždy přejde do více restriktivního stavu.
Doposud nebyla řešena otázka dohledu zařízení. Touto věcí se budeme zabývat po úplném dokončení prototypu náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“ svítivými diodami, jež
je určena ke generování pozitivního signálu ve výstražnících přejezdových zabezpečovacích
zařízení.
V současné době, kdy konstrukce prototypu náhrady návěstní žárovky s „výkonovými“
LED konverguje k finální podobě, stále nejsme plně rozhodnuti o tom, zdali bude základna
chladiče osazena pěticí „výkonových“ LED (podle obr. 18a), anebo pouze čtyřmi „výkonovými“ svítivými diodami (podle výsledků doposud provedených měření uvedených v odstavci
5.4 by i toto řešení bylo z hlediska platných norem dostačující).
Všechna měření rozložení svítivosti světelného pole výstražníku osazeného prototypem
náhrady návěstní žárovky se čtveřicí „výkonových“ svítivých diod byla provedena v horizontální rovině rovnoběžné s osou světla výstražníku. Norma ČSN 34 2650 definuje minimální
požadované hodnoty svítivosti světelného pole výstražníku vztažené vzhledem k osové svítivosti světelného pole výstražníku, které jsou udávány v prostoru (tj. i při vertikálním natočení
světla výstražníku). Tato měření nebylo z technických důvodů možno provést, ale není důvodu, proč by zařízení nemělo vyhovět i těmto požadavkům.
Impulzní měnič podle obr. 27 je v současné době ve fázi výroby. Impulzní měnič je založen na stejném řídícím integrovaném obvodu, jako impulzní měnič na obr. 28. Lze tedy předpokládat, že uvedené zapojení bude plnit svoji funkci přinejmenším stejně kvalitně a spolehlivě jako ověřené zapojení měniče, které bylo uvedeno na obr. 28.
U impulzních měničů prozatím nebyly provedeny testy EMC (elektromagnetické kompatibility). Vzhledem k návrhu a optimalizaci plošného spoje lze předpokládat, že by měniče
měly bez problémů vyhovět požadavkům podle platných norem.
9. Reference
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
<http://www.osram.com/osram_com> [cit. 2008-05-05].
<http://www.cree.com> [cit. 2008-05-05].
<http://www.lumileds.com> [cit. 2008-05-05].
<http://www.rsd.cam.ac.uk/events/horizon> [cit. 2008-05-05].
<http://www.fischerelektronik.de> [cit. 2008-05-05].
RD07 Datasheet: Luxeon Rebel Reliability Data. Philips, 2007.
DS56 Technical Datasheet: Power Light Source Luxeon. Philips, 2007.
AB32 Application Brief: Luxeon Rebel Assembly and Handling Information. Philips,
2008.
ČSN EN 50 125-3: Drážní zařízení – Podmínky prostředí pro zařízení, Část 3: Zabezpečovací a sdělovací zařízení. Praha, vydal Český normalizační institut, 2003, 28 s.
ČSN 34 2650: Železniční zabezpečovací zařízení – Přejezdová zabezpečovací zařízení.
Praha, vydal Český normalizační institut, 1998, 60 s.
ČSN EN 12368: Řízení dopravy na pozemních komunikacích – Návěstidla. Praha, vydal
Český normalizační institut, 2007, 36 s.
ČSN 36 5601-1: Světelná signalizační zařízení – Technické a funkční požadavky, Část 1:
Světelná signalizační zařízení pro řízení silničního provozu. Praha, vydal Český normalizační institut, 1996, 36 s.
HABEL, J. a kol. Světelná technika a osvětlování. 1. vyd. Praha, FCC Public, 1995,
448 s. ISBN 80-901985-0-3.