Исследование и разработка направлений реализации высокоэффективных светодиодных светофоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, кандидат технических наук Савельев, Евгений Олегович

• Савельев, Евгений Олегович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савельев, Евгений Олегович

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обзор литературы по светодиодным светофорам.

1.2 Цель диссертации и объект исследования.

Глава 2. МНОГОЗНАЧНЫЙ ОДНОЛИНЗОВЫЙ СВЕТОФОР.

2.1 Введение.

2.2 Анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства.

2.3. Расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме.

2.4 Выводы.

Глава 3. ИНДУКТИВНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ С ДМ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОФОРА.

3.1 Введение.

3.2 Анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

3.3 Расчет и анализ периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

3.4 Выводы.

Глава 4. КОНДЕНСАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ.

4.1 Введение.

4.2 Анализ импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора.

4.3 Анализ переходных процессов в импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора.

4.4 Анализ конденсаторной СУ постоянного тока СДМ светодиодного светофора.

4.5 Выводы.

Глава 5 СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТОФОРОВ.

5.1 Введение.

5.2 Анализ передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора.

5.3 Повышение точности и качества регулирования регулируемого светодиодного светофора.

5.4 выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка направлений реализации высокоэффективных светодиодных светофоров»

Вопросы повышения надежности функционирования и ресурсосбережения были и остаются актуальными для устройств СЦБ. Важность решения этих задач ныне возрастает в той степени, в какой реализуется модернизация Л железнодорожного транспорта и внедрение информационно-управляющих электронных систем в структуру дороги.

Одними из тех немногих устройств СЦБ, которых до недавнего времени не коснулись достижения современной электроники, являются светофоры. В последнее время эта ситуация изменилась. Появились отечественные разработки светофоров с использованием светодиодных матриц, которые имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания.

Основными и наиболее важными положительными свойствами светофоров с применением СДМ являются: время безотказной работы - 100 тыс. часов, излучение во всем оптическом спектре, что позволило отказаться от светофильтров, наличие которых вызывает потери излучения. Другое преимущество светодиодных структур заключается в более высоком световом выходе, выражаемом отношением потока излучения к потребляемой элементом мощности по сравнению с лампами накаливания для красного (на основе А1-GaAs) и желто-оранжевого (на основе AlInGaP) излучателей, следовательно, к снижению потребляемой мощности в 2-5 раз. Это стало возможным благодаря прорыву в технологии получения двойных гетероструктур в системе AlInGaP методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, пересадкой на оптически прозрачную подложку, разработкой специальной геометрии кристалла [3,109].

Более высокая энергетическая эффективность светофоров и долгий срок ф службы светофоров с СДМ послужили причиной роста их приобретения зарубежными и отечественными железными дорогами.

Заключение диссертации по теме «Управление процессами перевозок», Савельев, Евгений Олегович

Выводы:

1. Установлено, для повышения устойчивости ОСАР регулируемого светодиодного светофора должна обладать астатизмом относительно управляющего воздействия (управляющих воздействий). То есть схема светофора должна содержать, например, пиковые детекторы (интегралы), первый из которых фиксирует значение внешней освещенности, а второй - максимальное значение светового потока цепи светодиодов. При этом составляющая ошибки будет стремиться к нулю при условии, что значение возмущающего воздействия внешней освещенности U^ (/) также будет стремиться к нулю. Величина регулирования AUрег будет стремиться к конечному пределу при условии, если произведение функций Uвх (t)Wj- (р) будет стремиться к величине передаточной функции разомкнутой ОСАР.

2. Установлено, что наиболее значительными параметрами, влияющих на точность и качество регулирования регулируемого светодиодного светофора, являются параметры оптоэлектронного тракта передачи излучения светодиодов к фотоприемным устройствам. Предложена схема светодиодного устройства, в котором светоизлучающие кристаллы и фотоприемники пространственно расположены на одной подложке для повышения точности и качества регулирования (вследствие того, что средняя температура кристаллов будет иметь одинаковую постоянную составляющую температурного поля).

3. Установлено, что дальнейшее повышение качества регулирования регулируемого светодиодного светофора связано с введением термической обратной связи параллельно оптической.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы, установлены следующие закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что светодиодные светофоры имеют определенные области рационального применения на железнодорожном транспорте.

2. Предложен многозначный однолинзовый светодиодный светофор, имеющий одну головку, но реализующий несколько показаний. Выполнен анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства.

3. Предложено в качестве излучателей оптической системы светофора использовать сверхяркие многокристальные светодиоды. Выполнен расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме.

4. Предложены схемы устройств конденсаторной и индуктивной СУ СДМ светодиодных светофоров, обладающих энергетической эффективностью, близкой к теоретическому пределу.

4.1. Выполнен анализ индуктивной импульсной схемы управления светодиодной матрицы светодиодного светофора. Найдены уравнения переходных процессов при произвольном включении светодиодов и уравнения периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора.

4.2. Выполнен анализ конденсаторных импульсного и постоянного тока схем управления СДМ светодиодного светофора. Анализ переходных процессов в высокочастотной импульсной конденсаторной СУ светодиодного светофора показал необходимость учета паразитных элементов.

5. Предложено устройство регулируемого светодиодного светофора с обратной связью по излучению светодиодов и внешней засветке. Найдены уравнения передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора. Предложено светодиодное устройство для СДМ регулируемого светодиодного светофора, обладающего повышенной точностью и качеством регулирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савельев, Евгений Олегович, 2005 год

1. Айзерман М.А Теория автоматического регулирования двигателей. Уравнения движения и устойчивость - М.: ГТТИ ,1952. - 523с.

2. Айзерман М.А Классическая механика М.: Наука ,1974. - 368с.

3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП, 1998, т.32, №1, — С.3-18.

4. Абрамов B.C., Агафонов Д.Р., Шишов А.В, и др. Белые светодиоды // Светодиоды и лазеры. Оптоэлектроника и широкозонные полупроводники, 2002, № 1-2, С.25-28.

5. Абрамов B.C., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Метод измерения температуры р-n перехода светодиодов // Светодиоды и лазеры. Оптоэлектроника и широкозонные полупроводники, 2002, № 1-2, С.48-50.

6. Агафонов Д.Р., Иванов B.C., Саприцкий В.И., Столяревская Р.И. Измерение световых характеристик сверхярких светодиодов // Светотехника, 2000, №3 С.9-12

7. Бесекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.- М.: Наука ,1975. 768с.

8. Берг А, Дин П. Светодиоды.-М.: Мир, 1979. 686с.

9. Балашов В.П., Гребнев А.К., Дмитриев В.П. Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов. М.: ВИНИТИ, 1989. - С.3-59-(Итоги науки и техники. Сер. Электроника. Т.24.).

10. Бьюит Р. Фотопроводимость твердых тел М.: Изд-во иностр. лит. ,1963. -386 с.

11. П.Гордеев В.А., Столяревская Р.И., Трубников А.И. Исследования фотометрических характеристик дорожных светофоров на светодиодах // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение /Тезисы докладов XII научно-технической конференции. — Москва, 1996 С.59-61.

12. Гребнев А.К., Гридин В.Н., Дмитриев В.П. Оптоэлектронные элементы и устройства. М.: Радио и связь, 1998. - 336с.

13. ГОСТ 24179 80Е. Светофильтры, светофильтры линзы, рассеиватели и отклоняющие вставки стеклянные для приборов железнодорожного транспорта. - М:. Издательство стандартов, 1980, - 30 с.

14. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление по двум переменным и его приложения. М.: Физматгиз, 1958, - 534 с.

15. Диткин В.А, Кузнецов П.И. Справочник по операционному исчислению. — М.: Физматгиз, 1961, -368 с.

16. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. -М.: Физматгиз, 1961,-256с.

17. Есюнин В.И., Ефрюшкин А.Е. Светодиодные переездные светофоры // Автоматика, связь, информатика 1999, № 12 — С. 25-26.

18. Есюнин В.И. Магистральные светофоры на светодиодах // Автоматика, связь, информатика 2001, № 8.- С. 33-34.

19. Журавель Ф.А., Ильенков А.И. К вопросу о переходной характеристике полупроводникового диода // Радиотехника и электроника, 1966, т.11, №3, С. 564-565.

20. Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977. - 607с.

21. Золина К.Г., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гете-роструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, вып. 9-С. 1055-1061.

22. Иванов B.C., Столяревская Р.И. Фотометрирование светосигнальной продукции на светодиодах // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления 1999 / Материалы IX НТК-Москва, 1999-С. 188-189

23. Ильенков А.И. Переходный процесс в полупроводниковых диодах с учетом фронта переключающего импульса // Радиотехника и электроника, 1963, т.8, №6 , С. 1019-1023

24. Информационные материалы фирмы Siemens: Н. WieP Signal und Draht, 1999, № 12, pp. 26-27.

25. Информационные материалы фирмы Siemens: Georg Ludvig Radke, Environmental Protection, NewsDesk 0047/2, Munich, November 20, 2000.

26. Карлслоу, Г. Теория теплопроводности. М:. Гостехиздат, 1947 - 311с.

27. Карслоу, Г., Егер, Д. Теплопроводность твердых тел. М:. Наука, 1964 -487с.

28. Коган JI.M. Полупроводниковые излучающие диоды М.: Энергоатомиз-дат, 1983.-206с.

29. Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э, Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов 1п-GaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4- С.445^150.

30. Кудряшов В.Е. Механизмы излучательной рекомбинации в гетерострук-турах с множественными квантовыми ямами // Автореферат дисс. На соискание уч. ст. к.ф-м.н., Москва, 2001.

31. Кудряшов В.Е., Золина К.Г., Туркин А.Н., Юнович А.Э, Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, вып. 11-СЛ 304-1309.

32. Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И, Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Люминесценция р-n гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при ударной ионизации // Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, вып. 1-С.63-67.

33. Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И, Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э Изменения люминесцентных и электрических свойств светодиодов из гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при длительной работе // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2.-С.224-231.

34. Лисицкая И.Н.,Синицкий Л.А. К вопросу об одной задаче нелинейной электротехники //Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, 1964, № 12. С. 3441.

35. Лисицкая И.Н.,Синицкий Л.А, Шумков Ю.М. Анализ электрических цепей с магнитными и полупроводниковыми элементами Киев, Наукова думка, 1969,-440 с.

36. Мурашова М.А., Пинчук О.П., Юдин Л.П. Оценка мешающего влияния осветительных приборов на видимость сигналов светофоров. // Вестник ВНИИЖТ, 1995, № 4, С. 23 28.

37. Мурашова М.А., Пинчук О.П., Юдин Л.П. О технических требованиях по рациональному размещению светосигнальных и осветительных приборов на станциях // Вестник ВНИИЖТ, 1995, № 6/7/8. С.15 - 17.

38. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника .— М.: Радио и связь ,1989. 360 с.

39. Носов Ю.Р. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. М.: Наука, 1968. - 248с.

40. Неймарк Ю.И. Устойчивость задачи Айзермана-Гайнтмахера // Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, 1958, № 1- С. 21-30.

41. Принято в эксплуатацию: Информация // Автоматика, связь, информатика, 2002, № 1.- С. 39-40.

42. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках .- М.: Мир ,1973. -368 с.

43. Пат. РФ № 2231826. Светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 18.

44. Пат. РФ № 2236042 Светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 25.

45. Пат. РФ № 2237290. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 27.

46. Пат. РФ № 2237291. Светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 27.

47. Пат. РФ № 2237292 Светодиодный светофор (Варианты). / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 14.

48. Пат. РФ № 2238293. Трехзначный светодиодный светофор / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 27.

49. Пат. РФ № 2238592. Трехзначный светодиодный светофор / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 29.

50. Пат. РФ № 2245003. Устройство отображения информации. / Сергеев Б.С. Савельев Е.О. Публ. БИ 2004. № 17

51. Пат. РФ № 2249524 Регулируемый светодиодный светофор. / Савельев Е.О. Сергеев Б.С. Публ. БИ 2004. № 2

52. Рыбкин С.Н. Фотоэлектрические явления .- М.: Физматгиз ,1963. 568с.

53. Светофоры на светодиодах на железных дорогах США // Железные дороги мира.- 2002, № 7.- С. 68-70.

54. Световые сигнальные указатели на базе светодиодов // Железные дороги мира.- 2000, № 3.- С. 63-65.

55. Сетевая школа "Новые перспективные системы и приборы безопасности", СЦБ Н-Новгород 22 23.08.2001

56. Сергеев Б.С., Щиголев С.А., Любар В.Г. Светодиодные светофоры: проблемы разработки и применения // Автоматика, связь, информатика, 2001, №5.-С. 19-23.

57. Сергеев Б.С, Савельев Е.О. Исследование возможностей улучшения тех-нико-экономи-ческих показателей светофоров с применением светодиодных матриц. Отчет о выполнении НИР.- Екатеринбург: УрГУПС, 2002.-50с.

58. Сергеев Б.С, Савельев Е.О. Выбор направлений работ по разработке светодиодных светофоров // Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. — Самара: СамГАПС. 2003. Вып. 1.- С. 264-267.

59. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Фоторезистивная А^-элементная матрица // Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. -Самара: СамГАПС,- 2003. Вып. 1.- С. 267-270.

60. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Вопросы реализации светодиодных светофоров // Безопасность движения поездов / Труды IV научно-практ. конференции. -М.: МПС.- 16-18 апреля 2003.- С. II-23.

61. Савельев Е.О., Сергеев Б.С Новое поколение светофоров// Инновации с эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта / Сб. докл. Научно-практ. конф. "Инновации ОАО "РЖД".- М.: ОАО "РЖД", ВНИИЖТ, 2004.- С. 211-212.

62. Сергеев Б.С. Ромаш Э.М., Савельев Е.О. Управление светодиодными матрицами с помощью реактивных элементов // Электричество. 2004.- № 9.-С. 57-62.

63. Савельев Е.О. Проблемы внедрения светодиодных светофоров на железнодорожном транспорте // Молодые ученые-транспорту / Сб. докл. IV Научно-практ. конф.- Екатеринбург.: УрГУПС, 2003.- С. 138-143.

64. Савельев Е.О. Анализ влияния разброса параметров схемы последовательно включенных светодиодов в импульсном режиме на переходный процесс // Молодые ученые-транспорту / Сб. докл. IV Научно-практ. конф.- Екатеринбург.: УрГУПС, 2003.- С. 143-148.

65. Смирнов В.И. Курс высшей математики. -М.: Наука, том 3, 1987. 314с.

66. Сигорский В.П. Общая теория четырехполюсника М.: Изд-во АН УССР, 1955.-455с.

67. Синицкий J1.A, Шумков Ю.М Исследование переходной функции диодно- конденсаторных схем с двумя реактивными элементами. // Радиотехника, 1960, том 12. С. 22-33.

68. Тихонов А.Н., Самарский А.А Уравнения математической физики М.: Гостехиздат, 1951. — 611 с.

69. Шокли В. Теория электронных полупроводников. М.: Изд-во иностр. лит., 1953.-456 с.

70. Шокли В., Рид В. Статистика рекомбинации дырок и электронов. В кн.: Полупроводниковые электронные приборы. - М.: Мир, 1953. - 214 с.

71. Юнович А.Э. Свет из гетеропереходов // Природа, 2001.- № 6, С.3-11.

72. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989,-359 с.

73. Badmann H.W., Hauber Р.Н. and others A Unified Relationship between brightness and luminance, Proceedings CIE, 19 th Session, Kyoto, 1980.

74. Bullough J.D. and others, Luminous Intensity for Traffic Signals: A Scientific Basis for Performance Specifications, Rensselaer Polytechnic Institute, 30 th November, 1999.

75. Bullough J.D. and others Response to Simulated Traffic Signals Using Light -Emitting diodes and incandescent sources. Rensselaer Polytechnic Institute Record (1724); 39,2001.

76. Bullough J.D., Effects of sweeping, color and luminance. Distribution Response to Automotive Stop Lamps. SAE Technical Paper Series 2002 01 -0911,2002.

77. Caltrans. State of California, Department of Transportation, Alternative Traffic Signal Illumination, Final Report, Sacramento, CA: State of California, Department of Transportation, 1997.

78. Conway K.M. Will LEDs Transform traffic signals of they have exit signs?. Proceedings of the Illuminating Engineering Society of North America, Annual Conference, New Orleans, LA, August 9-11, 2001

79. European Committee for Standardization, European Standard : Traffic Control Equipment Signal Heads (Draft), Ref N PREN 12368, 1998.

80. E Source, Inc., Lighting Atlas, Bounds CO: E Source, 1997

81. Fisher A.N. and Cole B.L., The Photometric Requirements of Vehicular Traffic Signal Lanterns, Proceedings of the Australian Road Research Board, Vol 7, 1974

82. Kulakowsky, Susan, Personal communication. Oakland, CA: E solutions operating LED traffic signal rebate program for Pacific Gas & Electric CO. 510-524-4819

83. Lit Young Simple reaction time as a function of luminance for various wavelengths, Perc and Physis, 10 394,1971

84. Mayer, Richael Standard Specifications for LED Traffic Signals, Final Report, Philadelphia PA: City of Philadelphia a Municipal Energy Office, 1996

85. Mayer, Richael Pocketing the savings from LED Signals "Traffic technology Integration" Manasylum, NS: Dialight Corporation, 1997

86. Moley M. and Munro J. Polymer Fly's Eye Light Integration Lens Arrays for Digital Projectors. Proceedings, SID , May, 2000.

87. Moley M. and Munro J. Polymer Fly's Eye Light Integration Lens Arrays for Digital Projectors. Proceedings, SID , May, 2000.

88. Nataniel S.Behura and others, Capability of LSD Traffic Signals, with Existing Traffic Signal Field Equipment, IMS A, Journal March April, 1998.

89. National Police Agency (Japan), Specifications for Metal Vehicle Traffic Control Systems. The national Police Agency, 1966

90. Nakamura S., Fasol J. The blue laser diode, Springer, 1997, p. 296

91. Rea L.S. IESNA Lighting Handbook: Reference on Application, 9 th . New York, NY: Illuminating Engineering Society of North America, 2000

92. Stagl. J. Progressive Railroading, № 4, p 55 57, 2001

93. Weart.W. Progressive Railroading, № 4, p 62 68, 2000

94. Wystern.G Color Science Conceptual and Methods, Quantitative Data and Formulae, John Willy and Sons, New York, 1992

95. Y.L.Li, Th. Gessmann, E.F. Schubert Carrier dynamics in nitride-based light-emitting p-n junction diodes with two active regions emitting at different wavelengths // Journal of applied physics, 2003, vol. 94, num. 4 P.2167-2172