Сигнальное оптическое устройство

 

Изобретение относится к системам регулирования движения транспортных средств с использованием светофора. Технический результат - повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик устройства на светоизлучающих диодах достигается за счет создания требуемого распределения светового потока, обеспечения его стабильности при изменении температуры и повышения помехозащищенности. Устройство включает плату и размещенную на ней матрицу светодиодов. Новым является выполнение платы в виде слоистой структуры, содержащей металлическую основу и размещенные на ней последовательно слои вязкоупругого электроизолирующего материала и твердого диэлектрического материала с металлизирующим слоем, на котором выполнена топология печатной платы, причем светодиоды (при планарном или сквозном монтаже) установлены с обеспечением теплового контакта с металлической основой, а каждый из них снабжен оптической системой с заданной диаграммой направленности светового излучения, в частности линзой Френеля. Кроме того, устройство снабжено заполненным газообразной средой герметизирующим защитным корпусом с прозрачным колпаком и источником питания, размещенным в корпусе. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам регулирования движения транспортных средств и может быть эффективно использовано в целях регулирования движения дорожного/железнодорожного транспорта с использованием светофоров.

Использование светофоров в целях регулирования дорожного движения, особенно на железных дорогах, сталкивается с рядом проблем, основными из которых являются обеспечение надежности работы, помехозащищенности светового блока, снижение потребляемой мощности и энергопотерь, обеспечение оптимального распределения светового потока для адекватного восприятия сигналов светофора.

Известен светофор, содержащий размещенный внутри корпуса с защитным стеклом источник света, выполненный в виде платы со светоизлучающими диодами с заданным цветовым свечением, в том числе красным и/или желтым, и/или зеленым цветом, а также источник питания, который соединен с источником света через транзисторное устройство защиты от помех, выполненное по схеме моста с транзисторным ключом, что обеспечивает контроль поддержания заданного уровня амплитуды сигнала и управление включением и отключением источника света для исключения ложных засветок от помех и наводок /Патент РФ N 2150825 "Светофор и устройство защиты его от помех", МПК 7 G 08 G 1/095, Н 03 К 17/56, oпубл. 20.10.2000/. Известное устройство характеризуется относительной сложностью и предусматривает необходимость постоянного контроля его электронной части, что в условиях эксплуатации, например, на железной дороге может оказаться весьма затруднительным. Кроме того, известное устройство не обеспечивает возможности поддержания стабильности координат цветности и диаграммы направленности во времени, например, при изменении температуры окружающей среды в широких пределах.

Известно осветительное устройство, включающее источник излучения в виде матрицы светодиодов и два линзовых растра, установленных по ходу оптического луча, первый из которых содержит конденсорные линзы-секции, а второй является рассеивателем, создающим необходимое распределение светового потока относительно оптической оси, которое задается неравномерным в вертикальной и горизонтальной плоскостях с отклонением вниз или вверх от горизонтальной оптической оси устройства, что позволяет направлять основной поток света в сторону наблюдателя и тем повысить эффективность устройства /Патент РФ N 2137978 "Осветительное устройство с несимметричным распределением светового потока относительно оптической оси", МПК 7 F 21 Q 1/00, G 08 G 1/095, oпубл. 20.09.1999/.

Известное устройство, обеспечивая оптимальное распределение светового потока в поле зрения, тем не менее требует постоянного контроля за оптическими характеристиками оптической системы в целом, поскольку при длительной работе возможна разъюстировка оптической системы при нагревании оптических элементов и искажение картины распределения светового потока, что снижает эффективность устройства.

Известно сигнальное оптическое устройство, содержащее источник света, выполненный в виде платы, на лицевой поверхности которой установлены светоизлучающие в видимой области спектра диоды, которые размещены группами из 2-16 последовательно соединенных элементов, удаленных друг от друга на расстояние до 50 мм и размещенных неравномерно симметрично или асимметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей платы и по плоскости платы, так что в пределах сектора платы с раствором угла в 270 градусов плотность установки элементов в 1,2-1,5 раз превышает плотность установки элементов на остальной части платы, при этом угол отклонения радиусов сектора от верхней вертикальной полуоси платы составляет 45 градусов, а светодиоды выбраны такими, что двойной угол расходимости каждого из них составляет 20-60 градусов /Патент РФ по заявке 98105475 "Сигнальное оптическое устройство", МПК 7 G 08 G 1/095, oпубл. 20.03.1998/.

Известное устройство обеспечивает оптимальное распределение светового потока за счет специально подобранной конфигурации размещения светодиодов, однако недостатком прибора можно считать снижение эффективности за счет влияния тепловых нагрузок на плату и матрицу светодиодов при длительной работе, что влияет на стабильность распределения светового потока.

Известное сигнальное оптическое устройство, включающее плату и размещенную на ней матрицу светоизлучающих диодов, выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности и улучшении эксплуатационных характеристик сигнального оптического устройства за счет создания требуемого распределения светового потока, обеспечения его стабильности при изменении температуры и повышения помехозащищенности.

Задача решена тем, что в сигнальном оптическом устройстве, включающем плату и размещенную на ней матрицу светоизлучающих диодов, в соответствии с изобретением плата выполнена в виде слоистой структуры, которая содержит металлическую основу и размещенные на ней последовательно слои вязкоупругого электроизолирующего материала и твердого диэлектрического материала с металлизирующим слоем, на котором выполнена заданная топология печатной платы, причем светоизлучающие диоды установлены с обеспечением теплового контакта с металлической основой, при этом каждый из светоизлучающих диодов снабжен оптической системой с заданной диаграммой направленности светового излучения.

Кроме того, матрица светоизлучающих диодов размещена на плате посредством планарного монтажа.

Кроме того, матрица светоизлучающих диодов размещена на плате посредством сквозного монтажа.

Кроме того, в плате выполнены сквозные отверстия для установки светоизлучающих диодов посредством сквозного монтажа.

Кроме того, сквозные отверстия выполнены с обеспечением контакта их поверхности со слоем вязкоупругого электроизолирующего материала.

Кроме того, плата выполнена в форме поверхности второго порядка.

Кроме того, металлическая основа выполнена из алюминия или его сплавов.

Кроме того. в качестве твердого диэлектрического материала выбран текстолит.

Кроме того, в качестве вязкоупругого материала выбран эпоксидный компаунд с добавкой каучука.

Кроме того, оптическая система светоизлучающего диода выполнена в виде оптической линзы с заданным направлением оптической оси.

Кроме того, в качестве оптической линзы выбрана линза Френеля.

Кроме того, устройство снабжено герметизирующим защитным корпусом с прозрачным колпаком.

Кроме того, герметизирующий защитный корпус содержит газообразную среду кондиционного состава.

Кроме того, устройство снабжено источником питания, размещенным в защитном корпусе.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении эффективного теплоотвода от работающего светодиода на металлическую основу платы и стабилизации температурного режима устройства в целом в широком диапазоне температур и токов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В матрице светоизлучающих диодов (светодиодов), установленных на плате, которая выполнена в виде слоистой структуры, имеющей металлическую основу, с обеспечением ее теплового контакта со светодиодами, тепло, выделяющееся при протекании тока через кристаллы светодиодов, может быть эффективно отведено, поскольку металл основы, например алюминий или его сплавы, имеет высокий коэффициент теплопроводности, что приводит к стабилизации температурного режима эксплуатации светодиодов. При этом за счет теплоотвода через металлическую основу платы рабочий ток светодиодов может быть увеличен примерно на 0,30-0,50 от своей величины, причем пропорционально увеличению тока возрастает и яркость светодиодов. Стабилизация температурного режима существенно уменьшает сдвиг волны излучения светодиода в широком диапазоне изменения токов, что обеспечивает стабилизацию координат цветности светодиода. Металлическая основа платы является в то же время эффективным экраном от электромагнитных помех, что существенно повышает эксплуатационные характеристики сигнальных устройств и особенно важно, в частности, для устройств, используемых на железных дорогах. Высокая механическая прочность металлической основы платы обеспечивает жесткость всей конструкции осветительного устройства, сохранение ее формы во время эксплуатации, что также обеспечивает сохранение юстировки оптической схемы сигнального устройства в течение длительного времени.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, на которых представлены схема устройства в сборе (в разрезе) (фиг.1) и фрагмент матрицы светодиодов, смонтированной на плате, для разных видов монтажа - сквозного (фиг.2) и планарного (фиг.3).

Устройство содержит плату 1 (печатную плату) и размещенную на ней матрицу светодиодов 2 (фиг. 1). Плата 1 выполнена в виде слоистой структуры, которая содержит металлическую основу 3, соединенную со слоем диэлектрического материала 4 с металлизирующим слоем 5 через слой вязкоупругого электроизолирующего материала 6 (фиг. 2 и 3). На упомянутом слое 5 выполнена топология печатной платы, представляющая собой разводку проводников электрической схемы матрицы светодиодов 2.

Светодиоды 2 устанавливаются на поверхности платы 1 методом сквозного или планарного монтажа.

При сквозном монтаже (фиг.2) плату 1 составляeт металлическая основа 3, к которой через слой вязкоупругого материала 6 присоединен (приклеен) слой диэлектрического материала 4 с металлизирующим слоем 5, на котором выполнена топология печатной платы, так что слой 5 отделен от металлической основы 3 упомянутыми электроизолирующими слоями 4 и 6.

При этом на плате 1 в пределах слоя диэлектрического материала 4 выполнены сквозные отверстия 7 для пропускания выводов 8 светодиодов 2 и пайки 9 к металлизирующему слою 5 для включения их в топологию печатной платы.

При плaнарном монтаже (фиг.3) топология печатной платы выполнена на металлизирующем слое 5, совмещенном с плоскостью установки матрицы, а светодиоды 2 распаиваются на контактных площадках непосредственно на плоскости установки матрицы без каких-либо сквозных отверстий под выводы 8. Плату 1 в этом случае составляeт металлическая основа 3, к которой через слой вязкоупругого электроизолирующего материала 6 присоединен (приклеен) слой диэлектрического материала 4 с нанесенным на него металлизирующим слоем 5 (внешним), на котором выполнена топология печатной платы, в которой предусмотрены окна для установки светодиодов для обеспечения теплового контакта между корпусом светодиода и металлической основой 3 печатной платы.

Слой вязкоупругого электроизолирующего материала 6 должен удовлетворять требованиям высокой адгезии такого материала к соединяемым материалам (металл и диэлектрик), а также требованиям обеспечения электрической изоляции металлической основы 3. Кроме того, при сквозном монтаже выводов 8 светодиодов толщину слоя вязкоупругого материала 6 выбирают такой, чтобы вязкоупругий материал заполнил отверстия 7 под выводы 8 светодиодов 2 с обеспечением контакта с поверхностью сквозных отверстий 7 с образованием на поверхности их стенок электроизоляционной пленки 8 с заданным сопротивлением изоляции. Кроме того, слой вязкоупругого материала 6 обеспечивает работоспособность устройства в широком диапазоне температур за счет компенсации механических напряжений, возникающих вследствие большого различия в величинах коэффициента теплового расширения металла основы 3 и диэлектрического слоя 4.

Топология печатной платы может быть создана как напылением металла на слой диэлектрического материала 4, так и присоединением к нему металлизированного слоя (например, фольгированный текстолит, фольга) с последующим выполнением собственно топологии известными методами (напыление через маску или использование фоторезиста и фотошаблона). При этом толщина слоя диэлектрического материала 4 выбирается из условия исключения электрического пробоя и достижения заданного значения тока утечки при заданной величине разности потенциалов между металлической основой 3 и металлизирующим слоем 5. Толщина металлизирующего слоя 5, на котором выполнена упомянутая топология, выбирается достаточной для пропускания заданной плотности тока по проводникам печатной платы.

Форма платы 1 для размещения матрицы светоизлучающих диодов 2 может быть выбрана в соответствии с уравнением гиперповерхности в виде поверхности второго порядка, которой является плоскость (фиг.1) сферическая или параболическая (на фиг. не показаны), что дает возможность создавать поверхности сложной формы для сигнальных или осветительных устройств специального назначения, например прожектора, имеющих заданную диаграмму направленности излучения, расходимость светового потока и т.д.

Устройство снабжено прозрачным колпаком 10, являющимся частью герметизирующего защитного корпуса 11 со стороны матрицы светодиодов 2 (фиг.1), при этом корпус 11 содержит газовую среду кондиционного состава, например сухой газ, предотвращающий появление конденсата в объеме устройства вследствие колебаний температуры.

Для обеспечения работы устройства оно снабжено источником питания 12, размещенным в защитном кожухе 11 (фиг.1). Выбор вида источника питания - автономный (аккумуляторная батарея) или сеть с преобразователем напряжения - определяется назначением и условиями эксплуатации устройства.

Существенной характеристикой оптического осветительного устройства является угловое распределение светового потока. Так, для железнодорожных светофоров стандартами регламентируется сила света по оптической оси и угол расходимости излучения от оптической оси, равный 3 градусам. Для автодорожных светофоров регламентированы сила света по оси прибора и заданное ослабление силы света при отклонении от оси на углы 10 и 20 градусов. В заявленном устройстве для формирования светового потока каждый светодиод имеет оптическую систему 13 (фиг.2, 3) с индивидуальной диаграммой направленности, которая может быть выполнена в виде линзы с заданным углом фокусировки оптического излучения, в частности в виде линзы Френеля - аксиально-симметричной, линейной и пр., которые обеспечивают заданное отклонение периферийных частей светового потока светодиода к оси пучка и в совокупности обеспечивают заданную геометрию светового потока, а в случае обеспечения параллельности оптических осей светодиодов - наименьшую расходимость светового потока. Установка индивидуальной оптической системы 13 на каждом светодиоде 2 облегчает настройку устройства в целом и его юстировку.

Идентичность параметров оптических систем светоизлучающих диодов можно обеспечить путем изготовления прозрачных корпусов светоизлучающих диодов, в частности, методом литья в пресс-форму, что позволяет с высокой точностью воспроизводить заданные параметры оптической системы упомянутых диодов.

В качестве примера конкретного выполнения изготовили образцы сигнальных оптических устройств - световые блоки железнодорожного светофора. Для такого устройства на основу 3 из алюминиевого сплава нанесли слой вязкоупругого электроизолирующего материала 6, в качестве которого использовали эпоксидный компаунд с добавкой каучука, а к нему приклеили слой фольгированного текстолита 4 с медной фольгой 5, обработанного в соответствии с топологией печатной платы под сквозной монтаж матрицы светодиодов.

Диаметр платы составил 200 мм, толщина металлической основы 2 мм, толщина слоя текстолита 0,25 мм, форма поверхности платы - плоскость, при этом плоскостность печатной платы 1 не превышала 0,01 при данном диаметре.

Каждый светодиод 2 матрицы имел оптическую систему 13 в виде осесимметричной линзы Френеля с расходимостью пучка около 3 градусов от оптической оси. Каждая линза Френеля была выполнена на внешней прозрачной поверхности светодиода 2. Светодиоды 2 были собраны в матрицу со сплошной установкой оптических элементов и обеспечением ортогональности оптических осей светодиодов 2 к поверхности платы 1 и параллельности их между собой. К матрице светодиодов 2 подсоединили источник электропитания 12, и поместили в защитный корпус 11, выполненный с прозрачным колпаком 10 в области над матрицей светодиодов 2, при этом полость герметизирующего защитного корпуса 11 была заполнена сухим азотом для предотвращения конденсации влаги на внутренних поверхностях устройства при резких понижениях температуры.

Изготовленные светосигнальные устройства прошли успешные лабораторные светотехнические испытания на помехозащищенность и электромагнитную совместимость с применяемыми системами управления на железнодорожном транспорте. Результаты испытаний показали высокую стабильность оптических характеристик светового блока в течение длительного периода эксплуатации в широком диапазоне изменения температур.

Формула изобретения

1. Сигнальное оптическое устройство, включающее плату и размещенную на ней матрицу светоизлучающих диодов, отличающееся тем, что плата выполнена в виде слоистой структуры, которая содержит металлическую основу и размещенные на ней последовательно слои вязкоупругого электроизолирующего материала и твердого диэлектрического материала с металлизирующим слоем, на котором выполнена заданная топология печатной платы, причем светоизлучающие диоды установлены с обеспечением теплового контакта с металлической основой, при этом каждый из светоизлучающих диодов снабжен оптической системой с заданной диаграммой направленности светового излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матрица светоизлучающих диодов размещена на плате посредством планарного монтажа.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матрица светоизлучающих диодов размещена на плате посредством сквозного монтажа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в плате выполнены сквозные отверстия для установки светоизлучающих диодов посредством сквозного монтажа.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что сквозные отверстия выполнены с обеспечением контакта их поверхности со слоем вязкоупругого электроизолирующего материала.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плата выполнена в форме поверхности второго порядка.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлическая основа выполнена из алюминия Al или его сплавов.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве твердого диэлектрического материала выбран текстолит.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве вязкоупругого электроизолирующего материала выбран эпоксидный компаунд с добавкой каучука.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система светоизлучающего диода выполнена в виде оптической линзы с заданным направлением оптической оси.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в качестве оптической линзы выбрана линза Френеля.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено герметизирующим защитным корпусом с прозрачным колпаком.

13. Устройство по п.1 или 12, отличающееся тем, что оно снабжено источником питания, размещенным в герметизирующем защитном корпусе.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что герметизирующий защитный корпус содержит газообразную среду кондиционного состава.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3