Светодиодный светофор

 

Изобретение относится к устройствам сигнализации, а именно к светофорам железнодорожного транспорта. Изобретение может быть использовано также в городских светофорах, предназначенных для регулирования движения автомобильного транспорта на улицах и перекрестках. Устройство содержит последовательно и согласно включенные первичные обмотки 3.1, 3.2,...3.N трансформаторов 4.1, 4.2,...4.N, через которые пропускают импульсы тока определенной длительности. К каждой из вторичных обмоток 5.1, 5.2,...5.N этих трансформаторов подключены группы из К светодиодов 6.1, 6.2,...6.К. Импульсный режим работы с накоплением и последующей передачей тока из источника питания на светодиоды обеспечивает отсутствие потерь мощности в устройстве и автоматическое выравнивание токов через группы светодиодов. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам сигнализации железнодорожного транспорта, а именно к светофорам, выполняющим функции индикатора, разрешающего или запрещающего движение поезда по участку пути.

Известны светофоры, в которых в качестве излучающего элемента используются лампы накаливания (Системы железнодорожной автоматики и телемеханики: Учеб. для вузов /Ю.А.Кравцов, В.Л.Нестеров, Г.Ф.Лекута и др; Под ред. Ю.А. Кравцова. М.: Транспорт. - 1996. - С. 68, рис.4.1). Их недостатком является невысокая надежность работы, обусловленная довольно частым перегоранием нитей ламп накаливания.

Более высокой надежностью обладают светофоры, в которых применяются двухнитевые лампы накаливания (Деев А.М., Зенькович Ю.И., Коган Д.А. и др. Ресурсосберегающие технологии в устройствах управления показаниями светофоров //Автоматика, связь, информатика. - 2000. - 1. - С. 32, рис.1). Однако надежность работы их недостаточна, так как в них принципиально остается использование ламп накаливания. Кроме того, применение ламп накаливания определяет высокие эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью периодической замены ламп. Коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый соотношением яркости излучения и затрат электрической мощности, невелик, что определяет низкую энергетическую эффективность светофоров.

С точки зрения надежности и энергетической эффективности лучшими показателями обладают светофоры с использованием светодиодных матриц (Световые сигнальные указатели на базе светодиодов //Железные дороги мира. - 2000. - 3. - С. 63, рис.2). Однако подобные устройства не могут быть применены на отечественных железных дорогах в связи со спецификой Российской системы сигнализации.

Практические отечественные устройства светофоров с применением светодиодов содержат источник питания и светодиодные матрицы (СДМ), разбитые на группы, последовательно с каждой из которых включаются активные токозадающие резисторы, определяющие яркость излучения (Есюнин В.И., Ефрюшкин А.Е. Светодиодные переездные светофоры //Автоматика, связь, информатика. - 1999. - 12. - С. 25, рис.1).

Недостатком подобных устройств является невысокая энергетическая эффективность, обусловленная наличием активных токозадающих резисторов, рассеивающих мощность потерь, а также невозможность достаточно точного выравнивания токов в группах светодиодов (Сергеев Б.С., Щиголев С.А., Любар В.Г. Светодиодные светофоры: проблемы разработки и применения //Автоматика, связь, информатика. - 2001. - 5. - С. 20).

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно исключение потерь мощности при задании требуемых токов через группы светодиодов и обеспечение достаточных точностных характеристик выравнивания этих токов.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве используется принцип импульсного распределения токов через группы светодиодов (СДМ), реализуемый при помощи трансформаторов, осуществляющих предварительное накопление тока в их индуктивности намагничивания и последующую его передачу на светодиоды.

На фиг.1 приведена схема светодиодного светофора, а на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Устройство по схеме фиг.1 содержит транзистор 1, один из силовых электродов которого соединен с отрицательным полюсом 2 источника питания, положительный полюс 3 которого подключен к началу первичной обмотки 3.1 трансформатора 4.1. Конец первичной обмотки 3.1 соединен с началом первичной обмотки 3.2 второго трансформатора 4.2, конец которой подключен к началу первичной обмотки последующего из N трансформаторов. Таким образом, первичные обмотки всех трансформаторов соединены согласно и последовательно. Конец первичной обмотки 3.N трансформатора 4.N подключен ко второму силовому электроду транзистора 1. Конец вторичной обмотки 5.1 трансформатора 4.1 соединен с анодом первого 6.1 из группы N последовательно и согласно включенных светодиодов 6.1, 6.2, . ..6.К. Начало вторичной обмотки 5.1 подключено к катоду светодиода 6.К. Аналогичным образом подключены аноды и катоды всех остальных групп светодиодов ко вторичным обмоткам 5.2,...5.N трансформаторов 4.2,...4. N. Вход транзистора 1 соединен с выходом генератора импульсов 7, выход которого подключен к управляющему входу 8 устройства.

Временные диаграммы фиг. 2 содержат: 9 - форма сигнала на управляющем входе 8; 10 - форма импульсов на выходе генератора 7; 11 - форма импульсов тока, протекающего через силовые электроды транзистора 1 и первичные обмотки 3.1, 3.2, ...3.N трансформаторов 4.1, 4,2,...4.N; 12 - форма импульсов тока любой из вторичных обмоток 5.1, 5.2,...5.N трансформаторов 4.1, 4.2,...4.N.

Светодиодный светофор по схеме фиг.1 работает следующим образом. В отсутствие сигнала (диаграмма 9) на управляющем входе 8 транзистор 1 закрыт и ток через обмотки 3.1, 3.2,...3.N трансформаторов 4.1, 4.2,...4.N отсутствует (диаграмма 11). В соответствии с этим светодиоды 6.1, 6.2,...6.К не светятся.

В момент времени t₀ (диаграмма 9) на вход генератора 7 поступает управляющий сигнал, вследствие на его выходе появляются импульсы (диаграмма 10) с периодом следования T, длительностью t_и и паузы между ними t_п. Импульсы вызывают периодическое открывание и запирание транзистора 1, что определяет появление в первичных обмотках 3.1, 3.2,...3.N импульсов тока (диаграмма 11) длительностью t_з.

На интервале времени t_и= t_з закон увеличения тока через транзистор 1 (диаграмма 11) определяется суммарной индуктивностью первичных обмоток 3.1, 3.2, . ..3.N и напряжением источника питания, подключенного к выводам 3 и 2. Во вторичных обмотках 5.1, 5.2,...5.N ток отсутствует (диаграмма 12), так как к светодиодам 6.1, 6.2,...6.К приложено обратное напряжение. К концу длительности импульса t_и ток через первичные обмотки достигает значения I_1м (диаграмма 11), после чего транзистор 1 запирается.

После запирания транзистора 1 напряжения на вторичных обмотках 5.1, 5.2, . ..5.N трансформаторов 4.1, 4.2,...4.N меняют свою полярность, что приводит к появлению токов (диаграмма 12) через светодиоды 6.1, 6.2,...6.К. Начальное значение тока импульса равно I_свм=nI_1м, где n - коэффициент трансформации трансформаторов 4.1, 4.2, . ..4.N. В первом приближении можно принять, что закон уменьшения тока вторичных обмоток определяется дифференциальным сопротивлением светодиодов 6.1, 6.2,...6.К. Длительность разряда индуктивности каждой из вторичных обмоток равна t_p.

Далее, после начала поступления следующего импульса t_и процессы повторяются.

Таким образом, при наличии управляющего сигнала на входе 8 через светодиоды 6.1, 6.2,...6.К протекает импульсный ток, обеспечивая их свечение. При снятии сигнала со входа 8 ток через светодиоды отсутствует, что определяет их выключенное состояние. Следовательно, сигналом входа 8 можно управлять включением и выключением светодиодов СДМ. Яркость свечения светодиодов определяется средним значением тока I_ср, протекающего через них (диаграмма 12).

Для функционирования рассмотренного устройства необходимо выполнение условия: t_р<t так как только при этом обеспечивается нулевое значение начального тока в первичных обмотках 3.1, 3.2,...3.N. Это необходимо для обеспечения постоянства накопленной в них энергии. Если индуктивности первичных обмоток трансформаторов 4.1, 4.2, ...4.N равны между собой: L_1i=L₁, a для вторичных обмоток выполняется аналогичное равенство: L_2i=L₂, то энергия, накопленная в каждом из магнитных сердечников трансформаторов, равна энергии, передаваемой на каждую из N групп светодиодов: W_м=L₁(I_1м)²/2=L₂(I_свм)²/2. Таким образом, независимо от количества трансформаторов 4.1, 4.2,...4.N в рассматриваемом устройстве обеспечивается неизменность энергии, передаваемой на группы светодиодов, и для него не требуется дополнительных устройств или элементов для выравнивания токов через светодиоды.

Отсутствие в устройстве активных сопротивлений, предназначенных для задания и выравнивания токов через светодиоды, определяет отсутствие в нем потерь мощности.

Использование высокой частоты переключения транзистора 1, которая может лежать в пределах нескольких десятков или сотен килогерц, дает возможность реализации достаточно малогабаритных и дешевых трансформаторов 4.1, 4.2,... 4. N и выполнения их на ферритовых сердечниках с малым расходом обмоточной меди.

Следовательно, предложенное устройство обеспечивает высокую энергетическую эффективность и реализует автоматическое выравнивание токов, протекающих через группы светодиодов.

Кроме применения на железнодорожном транспорте предложенное устройство может использоваться и в городских светофорах для регулирования автомобильного движения на улицах и перекрестках.

Формула изобретения

Светодиодный светофор, содержащий транзистор и источник питания, а также N светодиодных групп, каждая из которых состоит из K последовательно и согласно включенных светодиодов, отличающийся тем, что в него введены N трансформаторов, первичные обмотки которых соединены согласно и последовательно, причем начало первичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному полюсу источника питания, отрицательный полюс которого через силовые электроды транзистора соединен с концом первичной обмотки N-го трансформатора, вход транзистора подключен к выходу введенного генератора импульсов, входом соединенного с источником управляющего сигнала, причем каждый из концов вторичных обмоток трансформаторов подключен к аноду первого светодиода каждой из N светодиодных групп, а начала обмоток подключены к катодам K-го светодиода каждой из N светодиодных групп.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2