Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 7
1.1 Обзор литературы по светодиодным светофорам 7
1.2 Цель диссертации и объект исследования 19
Глава 2. Многозначный однолинзовый светофор 25
2.1 Введение 25
2.2 Анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства 32
2.3. Расчет теплопроводности и теплового сопротивления прожекторного многокристального светодиодного устройства в стационарном режиме 41
2.4 Выводы 48
Глава 3. Индуктивная импульсная схема управления с ДМ светодиодного светофора 50
3.1 Введение 50
3.2 Анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора 54
3.3 Расчет и анализ периода ограничения обратного тока на этапе переходных процессов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора 77
3.4 Выводы 85
Глава 4. Конденсаторный источник электропитания светодиодной матрицы 87
4.1 Введение 87
4.2 Анализ импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора 89
4.3 Анализ переходных процессов в импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора 107
4.4 Анализ конденсаторной СУ постоянного тока СДМ светодиодного светофора 112
4.5 Выводы 124
Глава 5 Средства диагностики и контроля функционирования светодиодных светофоров 126
5.1 Введение 126
5.2 Анализ передаточной характеристики регулируемого светодиодного светофора 131
5.3 Повышение точности и качества регулирования регулируемого светодиодного светофора 139
5.4 выв оды 146
Заключение 147
Литература 148
- Цель диссертации и объект исследования
- Анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства
- Анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора
- Анализ импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора
Введение к работе
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 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 службы светофоров с СДМ послужили причиной роста их приобретения зарубежными и отечественными железными дорогами.
Цель диссертации и объект исследования
Таким образом, в качестве объекта исследования диссертации выступает светодиодный светофор. В результате анализа известных отечественных и зарубежных схемотехнических решений реализации светодиодных светофоров выбраны направления работ (исследований), показанные на структурной схеме рис.2.1. Рассмотрим структурные узлы приведенной схемы и необходимость выполнения соответствующих отдельных работ.
Под термином однолинзовый подразумевается светофор, у которого имеется одна оптическая система, реализующая при этом, пять, три или два показания (зеленый, желтый и красный или белый и синий, и др.). Этот светофор по внешнему виду и реализации функций излучения является квазипрожекторным, у которого, однако, отсутствует внутренняя оптико-механическая система, обладающая, как известно, невысокой надежностью работы. Использование однолинзовых светодиодных светофоров вместо трех- или двухлинзо-вых позволяет существенно снизить материалоемкость и стоимость за счет уменьшения массы и габаритов конструкции светофора. Очевидно, что термин "однолинзовый" является условным, который может быть изменен или конкретизирован по результатам его обсуждения с научно-технической общественностью. Как известно, при приемке светосигнального комплекта, требованиям ГОСТ 24179-80 должны удовлетворять СПЭЯ и СПЭО, а также координаты цветности источника для каждого цвета. Но в процессе эксплуатации у ССС, находящихся под воздействием возмущающих воздействий окружающей среды, указанные параметры могут изменяться.
Таким образом, в диссертационной работе была проанализирована возможность создания многозначного однолинзового светодиодного светофора и даны рекомендации по типу используемых в СДМ светодиодов. Снижение количества связей между светофором и устройствами СЦБ, которые располагаются в релейных шкафах или на посту ЭЦ, является важной проблемой. В настоящее время, в зависимости от схемы включения, число связей, например, для трехзначного светофора равно четырем или шести. В диссертационной работе была рассмотрена возможность сокращения числа связей до двух для трехзначного светофора, что, в конечном итоге, приведет к уменьшению объема используемой кабельной продукции и снижению эксплуатационных расходов.
Повышение КПД светодиодных светофоров является актуальной зада чей, так как использование светодиодов потенциально должно снизить энерго потребление светофоров. В существующих светодиодных светофорах задание токов через светодиоды осуществляется при помощи активных резисторов. Од новременно с этим, резисторы выполняют функции выравнивания токов через параллельно включенные группы последовательно соединенных светодиодов матрицы. Технологический разброс параметров вольтамперных характеристик отдельных светодиодов определяет необходимость применения относительно больших величин резисторов, рассеивающих бесполезную мощность потерь. Вследствие этих причин предполагаемый выигрыш по мощности от использо вания светодиодов может отсутствовать. Обычно, находят определенный ком промисс между величиной мощности потерь и степенью выравнивания токов. В некоторых случаях применяют групповой отбор светодиодов по величинам прямого падения напряжения, что приводит к увеличению стоимости светоди одной матрицы за счет уменьшения выхода годных светодиодов. Таким обра зом, использование активных резисторов в схемах включения светодиодных матриц приводит не только к увеличению мощности, потребляемой светофо ром, но и к увеличению его стоимости. В диссертационной работе были рас смотрены индуктивные и конденсаторные источники электропитания СДМ, об ладающие более высоким КПД.
Средства диагностики и контроля функционирования светофоров с использованием лам накаливания в существующих устройствах СЦБ являются довольно простыми и реализуются при помощи электромагнитных огневых реле. Бинарный признак отказа (целая или перегоревшая нить лампы накаливания) определяет отсутствие в устройстве контроля (огневого реле) каких-либо значимых точностных параметров. В светодиодных светофорах, имеющих до нескольких десятков или сотен единичных источников излучения, вопрос контроля функционирования существенно усложняется. С одной стороны это обусловлено с необходимостью определения количественного критерия отказа светофора, то есть, требуется назначение числа нормально функционирующих светодиодов, обеспечивающих заданное результирующее излучение светодиодной матрицы. Причем, в зависимости от суммарного числа установленных в матрице светодиодов, конкретный критерий может быть различным. С другой стороны, для светодиодных светофоров существенно возрастают требования к точностным параметрам устройств контроля, и применение электромагнитных реле становится невозможным. При изменении температуры окружающей среды и замене матриц изменения токов через светодиоды могут быть значительны, что может привести к нерегла-ментированным значениям интенсивностей излучения. В диссертационной работе была рассмотрена возможность использования информации, получаемой с выхода фотоприемников, для регулирования величины тока, протекающего через светодиоды, чем реализуется возможность получения замкнутой системы автоматического регулирования (САР). В этом направлении в диссертационной работе было предложено устройство регулируемого светодиодного светофора, в котором осуществляется непрерывный контроль и управление излучением СДМ светофора, в том, числе и в зависимости от внешней засветки.
Анализ эффективности излучения многокристального светодиодного устройства
При расчете трехкомпонентного метамерного белого цвета, получаемого аддитивным методом проводят построение, как правило, в колориметрической системе МКО 1931 с координатами на плоскости (X,Y). Координаты цветности, регламентированные ГОСТ 24179-80 для конкретного источника (с указанной цветовой температурой Тц), устанавливаются подбором тока через каждый кристалл светодиода (светодиоды). В частности, для источника типа А, 7 =2856 К координаты белого цвета равны 0.452;0.409, для источника D65, 7 =6500 К координаты белого цвета - 0.3128;0.3292. Интегральная точка белого цвета при изменении интенсивностей трех (получаемых RGB способом) или двух (получаемых смешением, например, синего с желтым люминофором на основе аллюмоиттриевого граната, активизированного Се или синего с желтым (зеленым)), будет смещаться по прямой, соединяющей эти три (два) опорных цвета.
Зависимость координат цветности синтетического белого от цветовых координат синего и зеленого излучателей. Примем, что изменение длины волны в максимуме спектра излучения зависит только от температуры р-п перехода, в свою очередь, зависящей от величины протекающего через него тока. А эта зависимость определяется механизмом излучательной рекомбинации в активной области кристалла светодиода. В светодиодах на основе двойных гетероструктур AlGaAs и AlInGaP активной областью является прямозонный слой р-типа проводимости кон-центрацией дырок около 10 см" , в котором осуществляется эффективная излучательная рекомбинация электронов из энергетических состояний в близи дна зоны проводимости и дырок в валентной зоне и в зоне акцепторных уровней [5,24-29].
Зависимость длины волны в максимуме спектра излучения Лм от величины тока 1т определяется двумя эффектами. Увеличением Лм с ростом прямого тока из-за разогрева р-п перехода и соответствующего уменьшения ширины запрещенной зоны Eg и уменьшением Лм из-за смещения максимумов распределения концентраций неравновесных электронов и дырок вглубь зоны проводимости и валентной зоны с ростом уровня инжекции у.
Уменьшение Лм с ростом тока может быть связано, в свою очередь, с двумя факторами: смещение максимумов распределения концентраций электронов и дырок за счет увеличения температуры р-п перехода даже в условиях малого уровня инжекции и смещения максимумов распределения за счет проникновения квазиуровней Ферми электронов и дырок вглубь зон элек тронных и дырочных состоянии при увеличении уровня инжекции даже при отсутствии разогрева.
Анализ графиков, представленных на рис. 2.7- 2.10. и выражений (2-7) и (2-13) показывает, что световая эффективность суммарного (синтетического) белого падает по относительно линейному закону с уменьшением световой эффективности желтого в связанной системе опорных трех (двух) цветов. Так же и суммарная эффективность желтого падает при увеличении доли эффективности красного цвета, причем на характеристике можно выделить два участка. На первом участке относительная постоянная времени спада особенно крута, а на втором - почти линейна. Это объясняется тем, что кривая видности относительно быстро спадает от максимума с Я =555 нм, Рл =683
Лм/Вт. В частности, при уменьшении эффективности желтого на 10%, эффективность белого падает «20%, при уменьшении эффективности красного на 10%, эффективность желтого спадает на первом участке «20%, а на втором «10-15%.
Из выражения (2-11) также следует, что изменение температуры кристалла (окружающей среды) смещает спектр (координаты цветности) суммарного излучения на ±2-15 нм. Это, очевидно, должно учитываться при разработке светодиодного светофора.
Как известно, надежностные и деградационные характеристики свето-диодов, а, значит, и светодиодного светофора в целом, определяет качественное проектирование устройства с учетом ряда факторов возмущающих воздействий, в том числе, воздействий окружающей среды. При этом температура кристалла (кристаллов) излучателя не должна превышать установленной величины, как правило, указанной производителями светодиодов, а его подложка должна обеспечивать эффективный теплоотвод. Поэтому все существующие ныне многокристальные светодиоды имеют относительно малые габаритные размеры, но состоят из кристаллов, имеющих малую мощность излучения, что обусловлено особенностями их применения, например, в светодиодных экранах и тп. Очевидно, для светосигнальных комплектов светофоров размеры светодиодов несущественны. Кроме того, для получения требуемого пространственного спектрального распределения необходимо использовать сложную прецизионную вторичную оптику. Поэтому в качестве излучателей предлагается использовать многокристальные сверхяркие кластеры. Их применение позволит снизить общее количество управляющих и контролирующих элементов, а, значит, повысить надежность, сформировать нужную индикатрису (пространственное распределение излучение) при помощи общей линзы, отказаться от их юстирования на месте.
Анализ переходных процессов при произвольном включении светодиодов во вторичной цепи СУ СДМ светодиодного светофора
Анализ переходных процессов рассматривается при следующих принятых допущениях. - Индуктивности рассеяния и намагничивания равны нулю. - Барьерная емкость р-n переходов светодиодов отсутствует. - Рассматриваемые структуры относятся по геометрической модели к плоскостным диодам с полубесконечной базой [41]. - Дифференциальное сопротивление светодиода не зависят от протекающего через него прямого тока.
Для всех рассматриваемых схем приняты следующие обозначения: L -индуктивность вторичной обмотки трансформатора тока преобразователя, VDo, Ra - ограничительный выпрямительный диод и активное ограничительное сопротивление соответственно, 6i..„(0 = 1 ) тэр— избыточный заряд неосновных носителей, тэр-эффективное время жизни носителей заряда, VDl-VDn - светодиоды.
Анализ выражений (3-5), (3-11), (3-14) и графиков, приведенных на рис 3.6,а - 3.13,в показывает, что при последовательном и параллельном соединениях светодиодов в цепи переходный процесс можно разделить на две стадии: первую стадию, характеризующуюся относительно быстрым спадом тока («60% длительности переходного процесса) и относительно медленную («40%), характеризующуюся медленным спадом напряжения на р-n переходах светодиодов вследствие значительного последовательного сопротивления светодиодов nRs.
При смешанном включении пере процесс, в основном, развивается в первой стадии («70-80% длительности разряда). За это время концентрация инжектированных дырок спадает практически до уровня «0.1/?(Х,Г). При этом зависимость длительности времени разряда от тока при последовательном включении при прочих равных условиях « в 10 раз спадает круче, чем зависимость длительности времени разряда от тока при параллельном включении, и « в 5 раз круче зависимости длительности времени разряда при смешанном включении, а, следовательно, и световой поток во только же раз меньше (при прочих равных условиях) [3].
При изменении температуры среды Тк зависимости процессов имеют примерно одинаковый характер, и это изменение несущественно влияет на длительность времени разряда (0,5-2% t разр(1 sv)), напротив, влияние на длительность разряда цепи, содержащую параллельно включенные светодиоды с разными эффективными временами жизни неосновных носителей тэр — сравнительно велико (1-3% )) и сравнительно мало («l%fpa3p(Isv)) в цепях со смешанным и последовательным включением. Учет фактора неидеальности т-2 (3) светодиодов « на 5% (10%) уточняет время разряда, рассчитанное при условии т=\. Величина ограничивающего обратный ток ак тивного сопротивления Ra должна выбираться из условия Ra « WnRs, в этом случае его присутствие не оказывает влияние ни на КПД, ни на переходный процесс в целом.
Следовательно, наиболее эффективным, с энергетической точки зрения, включением является параллельное соединение светодиодов при одинаковых ВАХ и прочих равных условиях. Однако на практике производители светодиодов для общего применения отбор по ВАХ светодиодов не делают, кроме того, характеристики могут измениться в процессе эксплуатации вследствие деградации [4]. Для ликвидации указанного недостатка последовательно светодиодам вносят активные сопротивления, при этом КПД устройства, очевидно, снижается, а использование рассмотренного источника питания по сравнению с источником постоянного напряжения (тока) становится нерациональным. В этом отношении более высоким КПД обладает схема со смешанным включением светодиодов, так как ограничивающих прямой ток сопротивлений меньше. Еще одним фактором, который необходимо учитывать при выборе той или иной схемы включения светодиодов во вторичную цепь преобразователя является материалоемкость. В частности, при рекомендуемых большинством производителей светодиодов импульсных параметров прямого тока tUMn =tpa3p =0.\ms,Q = /л , величина индуктивности вторичной обмотки при количестве светодиодов п-5 (АЛ307Б) при параллельном соединении светодиодов в цепи L2 = 10 3Гн, а при последовательном соединении светодиодов - L2 = 10 2Гн.
Анализ импульсной конденсаторной СУ СДМ светодиодного светофора
Представим анализируемую цепь в виде четырехполюсника (характеризующегося коэффициентом передачи при разомкнутом входе К{р) и взаимным сопротивлением между входной и выходной ветвями Z(p)) с ключом S на выходе и источником э.д.с. Uт на входе. В схему ЧП также введены j малых (по величине) паразитных элементов L и С , учет которых при пи тании схемы от источника переменного тока высокой частоты позволит наиболее полно и точно исследовать поведение схемы.
Найдем для схемы, изображенной на рис.4.3 уравнения периодов и величину тока через светодиоды. В первом приближении членами при экспонентах в (4-10), (4-11), (4-15), (4-16) можно пренебречь вследствие их малости (при l(j) = 2,3, к = 2), отсюда уравнения коммутации.
Очевидно, в аналитической форме искомые параметры выразить не удается, их можно решить, например, численно. Зависимости, приведенные на рис.4.5 - 4.7, были построены по данным численного решения (4-21,4-35) в среде Matcad. 5 драд. so
Зависимости, приведенные на рис. 4.8- 4.10, были построены по данным численного решения в среде Matcad. Анализ выражений и графиков (4.5-4.10) показывает, угол пропускания тока у/ в обеих исследуемых схемах при варьировании ее параметров в приделах ее работоспособности всегда меньше полупериода входного напряжения {к).
При увеличении ограничивающей емкости (при прочих равных условиях) угол пропускания уменьшается (а угол коммутации увеличивается) и, соответственно, уменьшается постоянная составляющая тока через светодиоды. Это приводит к тому, что отношение максимальной амплитуды тока к среднему выпрямленному его значению достигает величины, порядка 5-7. При такой пульсации тока светодиоды находятся в нагруженных условиях, поэтому при серийной разработке схемы не рекомендуется включать их (схемы) в источник входного напряжения параллельно, а в светодиодные цепи включать светодиоды на основе AlGaAs.
Анализ показал, что увеличение общего последовательного сопротивления светодиодов nRs на 5-10%, что характерно для светодиодов, деградирующих в процессе длительной эксплуатации, и разрядного сопротивления резистора R, установленного параллельно ограничивающему конденсатору, вносят незначительные фазовые сдвиг, которые, однако, необходимо учитывать.
При работе на высоких частотах необходимо учитывать паразитные реактивные элементы, которые изменяют и угол пропускания, и, соответственно, величину тока через светодиоды. В частности, моделирование паразитной входной индуктивности величиной = 10 12Гн (индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния), включенной последовательно с одним из зажимов источника электропитания переменного (входного) напряжения частотой 10 кГц, приводит к увеличению угла пропускания тока примерно на 1-3%. Учет паразитной входной емкости (включенной параллельно зажимам источника электропитания переменного напряжения), величиной С = 10 12Ф, уменьшает указанный угол »0,5-2%. Это обстоятельство также необходимо учитывать при разработке высокочастотной схемы импульсного конденсаторного источника электропитания СДМ, при использовании в качестве источника входного переменного напряжения конвертера частоты с индуктивной выходной цепью.
Для анализа переходных процессов воспользуемся эквивалентной схемой, изображенной на рис. 4.3 и методом точечных преобразований. Примем, что в первоначальный момент времени t = tx к схеме подключается переменное напряжение и через конденсатор С, выпрямительный мост, светодиоды, начинает протекать ток, длительностью t - tl0 - tx. Примем, согласно приведенному выше анализу, что ток не протекает в интервале времени t2 l0. Аналогично, пусть в момент времени t = tn через указанную цепь протекает прямой ток вплоть до момента t = tn+l =Т + tn.
Определив при помощи графиков 4.11 и 4.12 значения хи у, и, соответственно вп0 и вп, можно построить диаграммы Кенингса-Ламерея (диаграммы соответствия), на основании которых определение хода переходного процесса не будет представлять особых сложностей.
Анализ выражений и графиков, приведенных на рис 4.11, 4.12, 4.13 показывает, что увеличение величины ограничивающей емкости С при неизменных остальных параметрах, увеличивает длительность переходного процесса (количество периодов установления). Увеличение общего последовательного сопротивления светодиодов nRs также затягивает указанный переходный процесс, но в гораздо меньшей степени. В частности, увеличение емкости С в два раза, приводит примерно к четырехкратному увеличению времени установления, в то время как изменение сопротивления nRs «10-15% приводит к «5-Ю процентному изменению этого времени. Кроме того, вследствие принятых допущений при анализе: о кусочно-линейной аппроксимации светодиодов, независимости последовательного сопротивления светодиодов от тока и отсутствии эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) конденсатора, точность расчета не превышает 85 процентов. Однако качественно понятно, что, например, колебания общего последовательного сопротивления затягивают переходный процесс, а величиной ЭПС вследствие ее малой величины даже у низковольтных конденсаторов можно с легкостью пренебречь.
