Andrzej Kochan, Emilia Koper
Wydział Transportu, Politechnika Warszawska
WYBRANE ASPEKTY ZWIĄZANE
Z ZASTOSOWANIEM TECHNOLOGII LED
W SYGNALIZATORACH KOLEJOWYCH
Rękopis dostarczono, lipiec 2017
Streszczenie: W artykule przedstawiono wybrane problemy i wyzwania związane z wykorzystaniem
technologii LED w sygnalizatorze kolejowym. Autorzy skupili się na wybranych zagadnieniach zwią-zanych pośrednio lub bezpośrednio z bezpieczeństwem, najważniejszych – według subiektywnej oce-ny autorów. Nieomówione zagadnienia związane z technologią mogą być tematem odrębnej publika-cji. Istniejące podejście dedykowane sygnalizatorom żarowym jest niedostosowane do właściwości technologii LED, tak więc temat zapewnienia widoczności i rozpoznawalności wskazań należy po-nownie poddać rozważaniom. Według autorów należy rozważyć zasadność stosowania technologii w sygnalizatorach. W przypadku pozytywnego wyniku, stosowanie sygnalizatorów LED-owych, po-winno zostać poprzedzone opracowaniem wymagań, jakie powinien spełniać sygnalizator kolejowy, zaś wymagania te w zakresie osiąganych parametrów fotometrycznych należy wyznaczyć na podsta-wie badań. W artykule przedstawiono wnioski płynące z analizy informacji dotyczących technologii LED oraz doświadczeń zagranicznych zarządców infrastruktury, wykorzystujących sygnalizatory LED-owe. Przedstawiono również informacje związane z różnorodnością komponentów, które przy zastosowaniu ich odpowiedniej kombinacji, mogą umożliwić uzyskanie sygnału świetlnego o charak-terystyce dopasowanej do potrzeb kolei. Różnice występujące pomiędzy technologią LED a technolo-gią żarową stwarzają potrzebę weryfikacji istniejących wymagań dla źródeł światła w sygnalizatorach kolejowych. Weryfikację należy przeprowadzić w oparciu o badania fotometryczne. Badania takie powinny być zaplanowane pod kątem technicznym jak również organizacyjno-prawnym. Wykorzy-stanie wymagań opracowanych dla sygnalizatorów żarowych dla technologii LED jest możliwe, lecz niedostosowane do specyfiki technologii LED i może generować zagrożenia z punktu widzenia eks-ploatacji sygnalizatorów.
Słowa kluczowe: sygnalizator kolejowy, technologia LED, bezpieczeństwo ruchu kolejowego
1. WSTĘP
Rozwój technologii oraz potrzeba stosowania optymalnych pod względem ekonomicznym rozwiązań technicznych sprawiają, iż zasadnym wydaje się stosowanie technologii LED w sygnalizatorach kolejowych. Krok ten poczyniło już wielu zagranicznych zarządców infrastruktury. Walory diod LED są powszechnie znane, a sama technologia jest szeroko stosowana począwszy od gospodarstw domowych, poprzez oświetlenie obiektów przemy-słowych oraz pojazdów. Wysokie zainteresowanie tym źródłem światła wynika z niskiej
energochłonności, stosunkowo długiej żywotności diod, jak również szerokiej gamy pro-duktów dostępnych na rynku. Zgodnie z [12] koszty związane z kontynuacją stosowania technologii żarowej, jako źródła światła w sygnalizatorach kolejowych, stale rosną. W ar-tykule nakreślono główne różnice pomiędzy technologiami powodujące potrzebę przepro-wadzenia badań, w celu wyspecyfikowania wymagań dla sygnalizatorów LED-owych, będących adekwatnymi do możliwości technologii oraz potrzeb kolejnictwa. W artykule zwrócono uwagę na zagrożenia płynące ze stosowania technologii LED w sygnalizatorach kolejowych. Problem jest istotny, ponieważ sygnalizator kolejowy jest urządzeniem mają-cym bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo prowadzenia ruchu kolejowego.
2. GENEZA PROBLEMU, RÓŻNICE POMIĘDZY
TECHNOLOGIAMI ORAZ WYZWANIA WYNIKAJĄCE
Z IMPLEMENTACJI TECHNOLOGII LED
Trendy w rozwoju sygnalizacji kolejowej wskazują na coraz powszechniejsze wykorzysta-nie źródeł półprzewodnikowych jako źródła światła w sygnalizatorach kolejowych. Jed-nakże trwają dyskusje dotyczące konstrukcji sygnalizatora przy jednoczesnym wykorzy-staniu dotychczasowych elementów sygnalizatora (komponenty tworzące komorę świetlną, układ soczewek, itp.).
Kolejnym aspektem jest duża różnorodność kombinacji (aktualnie nieuregulowana prawnie) w zakresie: liczby punktów świetlnych emitujących sygnał świetlny, rodzaju diod – barwy oraz charakterystyk rozsyłu światła, zastosowanych soczewek i ich barw. Zróżni-cowanie to nie pozwala na jednoznaczne sprecyzowanie rozwiązania dla sygnalizatorów, a stosowanie różnych może doprowadzić do nie uzyskiwania powtarzalnego i bezpiecznego sygnału świetlnego. W związku z czym zagadnienie doboru parametrów poszczególnych komponentów powinno zostać poddane analizie, natomiast uzyskanie optymalnego roz-wiązania uwzględniającego możliwości technologii oraz potrzeby kolejnictwa wymaga przeprowadzenia badań fotometrycznych, opracowanych i zrealizowanych prawidłowo nie tylko pod kątem technicznym, lecz również organizacyjnym.
Sygnalizatorom żarowym, eksploatowanym powszechnie na sieci kolejowej stawiane są liczne wymagania, weryfikowane m.in. w procesie certyfikacji [5,10,11]. Należy podkre-ślić, iż aktualnie w zasadzie nie istnieją analogiczne opracowania dotyczące technologii LED. Zagadnienie to jest zaniedbane i powinno zostać poddane analizie.
Istnieją liczne różnice pomiędzy żarowym i LED-owym źródłem światła. Różnice po-grupować można zgodnie z następujących schematem:
układ optyczny – w tym konfiguracja (liczba i rozmieszczenie) punktów świetlnych, bezpieczeństwo,
parametry eksploatacyjne na przykładzie sposobu zasilania matrycy LED, zarządzanie ciepłem w układzie,
Różnice te, a przede wszystkim nowe wyzwanie wynikające ze specyfiki technologii LED omówiono w kolejnych podpunktach artykułu. Zauważyć można, iż różnice i wy-zwania związane są w sposób pośredni i bezpośredni z bezpieczeństwem.
2.1. UKŁAD OPTYCZNY SYGNALIZATORA LED
Podstawową różnicą pomiędzy sygnalizatorami wykorzystującymi żarowe źródło światła a sygnalizatorami wykonanymi w technologii LED jest zastosowane źródło światła. Jed-nym z zagadnień związanych z zastosowaniem nowego rozwiązania – źródła światła LED jest kwestia jego dobrania tak, by zapewniło wymagany strumień świetlny, który to prze-kłada się na widoczność wskazania. Obecnie gama dostępnych na rynku produktów jest na tyle szeroka, iż dobranie źródła o mocy wymaganej na kolei nie stanowi problemu. W ni-niejszym rozdziale układ optyczny rozpatruje się jako kombinację: liczby punktów świetl-nych, rodzaju diody (w zakresie kąta rozsyłu światłości), sposobu osiągania barwy sygnału oraz zastosowanej soczewki.
Komory świetlne sygnalizatorów, wykorzystujące źródło światła LED są aktualnie kon-struowane wg dwóch głównych konwencji:
punktowe źródło światła,
matryca LED wykonana w postaci: „X” niezależnych punktów świetlnych, „X” łańcuchów złożonych z „Y” diod LED.
O ile w przypadku żarowego źródła światła strumień przezeń wytwarzany wymagał skupienia za pośrednictwem układu soczewek, o tyle w przypadku diod LED, wiele z nich, dzięki bardzo małemu punktowi wytwarzającemu światło nie potrzebuje odbłyśników, luster i skomplikowanych soczewek. Aby uzyskać wąską, skupioną wiązkę światła, wy-starczy jedna, gładka soczewka. Niemniej różnorodność diod dostępnych na rynku powo-duje, iż należy rozważyć zastosowanie kombinacji diod z różnymi elementami optycznymi (soczewki, odbłyśniki, elementy skupiające lub rozpraszające), a być może zdecydowanie się na przyjęcie konkretnej kombinacji elementów układu optycznego, jako rozwiązania obligatoryjnego. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy kąt rozsyłu diody LED dla rozwiązania wykorzystującego soczewkę gładką oraz rozpraszającą. Obserwujemy, iż roz-sył światłości dla różnych diod oraz różnych soczewek różni się.
Rys. 1. Skupienie strumienia świetlnego w zależności od zastosowanej soczewki: a) soczewka gładka, b) soczewka rozpraszająca
Należy nadmienić, iż rozwiązania opisane powyżej, umożliwiające uzyskanie oczeki-wanego wskazania (barwy), mogą zostać zrealizowane w dwojaki sposób:
zastosowanie białego źródła światła oraz filtru barwnego w postaci zabarwionej so-czewki wewnętrznej,
zastosowanie źródła światła o odpowiedniej barwie oraz bezbarwnej soczewki. Warto podkreślić, iż w przypadku sygnalizatorów żarowych źródło światła stanowiła żarówka określonego typu cechująca się stałymi parametrami – w tym temperaturą barwy emitowanego światła. W przypadku białych diod LED mamy do czynienia ze źródłami o zróżnicowanej temperaturze barwowej. W przypadku zastosowania diody LED o barwie białej oraz zastosowania aktualnie stosowanego filtru barwnego w postaci soczewki sygnał może utracić swe właściwości. Przykładem może być zastosowanie białej diody LED oraz czerwonego filtru barwnego. Zastosowanie barwy zaklasyfikowanej jako „chłodna”, a więc zawierającą w dużej mierze składową niebieską, może doprowadzić do sytuacji, w której wyświetlony sygnał zostanie odebrany jako barwa fioletowa, zaś w przypadku zastosowania barwy „ciepłej” z tym samym filtrem sygnał ten przypominać może barwę pomarańczową. Wyżej wymienione przypadki mogą doprowadzić do błędnej interpretacji wskazania przez maszynistę, a tym samym mogą spowodować sytuację niebezpieczną.
Diody kolorowe dostępne na rynku cechują się zróżnicowanym składem chemicznych co przekłada się na zróżnicowanie w zakresie parametrów fotometrycznych. Skutkuje to osiąganiem zróżnicowanego jakościowo sygnału świetlnego, co może w konsekwencji prowadzić do błędu w interpretacji wskazania.
Zagadnieniem, jakie należy również rozważyć jest kwestia zastosowania odpowiednich soczewek dla zmienionego źródła światła. Dobór soczewki powinien zostać dokonany przy uwzględnieniu źródła światła, z jakim ma współpracować.
Rynek oferuje diody „automotive” cechujące się stałymi parametrami, przedstawionymi w dokumentacji technicznej. Zastosowanie źródła o stałych parametrach wraz z soczewką określonego rodzaju umożliwia uzyskanie powtarzalnego sygnału świetlnego.
Należy także podkreślić, iż zarządcy zagraniczni stosują najczęściej rozwiązania złożo-ne z barwnych diod LED oraz bezbarwnych, gładkich soczewek.
Rys. 2. Widoczność sygnału – po lewej komora żarowa z soczewką Fresnella, po prawej komora LED z gładką, bezbarwną soczewką
Źródło: [12]
Kolejną różnicą między technologiami jest fakt, iż strumień świetlny o określonej licz-bie lumenów wygenerowanych przez latarnię sygnałową, wyposażoną w źródło światła LED, jest odbierany „silniej”, niż strumień świetlny o identycznej liczbie lumenów wyemi-towanych przez żarowe źródło światła [12]. Na rysunku nr 2 przestawiono obraz świetlny
emitowany przez sygnalizator z żarowym źródłem światła i soczewką Fresnella oraz emi-towany przez źródło LED i gładką soczewkę - dla jednakowej liczby lumenów. Dostrzec można, iż wskazanie jest bardziej widoczne w przypadku rozwiązania wykorzystującego diody LED. Powyższe sugeruje potrzebę opracowania (zbadania i ustanowienia) wartości minimalnej wymaganej światłości sygnału dla sygnalizatorów LED-owych.
2.2. PARAMETRY EKSPLOATACYJNE NA PRZYKŁADZIE
SPOSOBU ZASILANIA MATRYCY
Podstawowym parametrem mającym wpływ na pracę żarówki jest napięcie zasilania. Zwiększenie napięcia na żarówce już o 5% powoduje zwiększenie natężenia oświetlenia generowanego przez źródło nawet o 20%. Skutkiem tego jest znaczne obniżenie trwałości żarówki (o około 60%). W przypadku obniżenia napięcia zasilania spada natężenie oświe-tlenia i zwiększa się trwałość źródła. Ma to jednak reperkusje w postaci obniżenia widocz-ności wskazań sygnalizatora. Lata doświadczenia w eksploatacji żarówek pozwoliły na wyznaczenie granicznej liczby godzin pracy żarówki, po upływie której należy wymienić ją na nową. Liczbę tę ustalono na 1000 h pracy [2].
W przypadku technologii LED najbardziej istotnym parametrem nie jest napięcie, lecz prąd. Niewielkie zmiany napięcia zasilającego prowadzą do dużych zmian prądu płynące-go przez diodę LED. Zależność pomiędzy natężeniem prądu płynącepłynące-go przez diodę LED i intensywnością jej świecenia jest liniowa lub bliska liniowej. Przekroczenie maksymal-nego prądu przewodzenia diody powoduje szybkie jej zużycie, a więc ważne jest stosowa-nie zasilania prądem stabilizowanym. W związku z tym właściwe jest zasilastosowa-nie diody ze źródła prądowego.
Czynnikiem wymagającym rozważenia przy zasilaniu diod LED jest zależność napięcia przewodzenia diody od temperatury otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się wartość napięcia, przy którym dioda LED przewodzi. Ze względu na kształt charakte-rystyki prądowo – napięciowej diody LED oraz zmiany napięcia przewodzenia w zależności od temperatury układ zasilający powinien stanowić stabilne termicznie źródło prądowe. Niewielkie zmiany napięcia zasilającego prowadzą do dużych zmian prądu pły-nącego przez diodę LED. Stąd ważne jest, aby prąd diody miał możliwie stałą, bezpieczną wartość. Niedopilnowanie tego zalecenia prowadzi do przegrzewania się diod LED, nieo-siągania optymalnego poziomu jasności oraz w konsekwencji do skrócenia czasu życia lampy.
W przemyśle elektronicznym źródła prądowe są rzadko stosowane, a o wiele częściej wykorzystywane są źródła napięciowe. Inaczej jest w wypadku zasilaczy przeznaczonych dla lamp LED. Ich technologia wymusza rozwój źródeł prądowych. Stosowanie takiej formy zasilania diod LED umożliwia utrzymanie stałych parametrów pracy komory LED-owej. Na rysunku 3 przedstawiono wpływ temperatury otoczenia i temperatury złącza a także prądu przewodzenia na żywotność diod LED na przykładzie charakterystyk diody Cree Xlamp XR-E.
Rys. 3. Wpływ temperatury otoczenia i temperatury złącza oraz wpływ prądu przewodzenia na żywotność diody LED
Źródło: [17]
2.3. KONTROLA ŚWIECENIA
Sygnalizatory kolejowe są urządzeniami, dla których wymagane jest zapewnienie najwyż-szego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa – SIL-4, dla którego wartość współczyn-nika tolerowanego zagrożenia mieści się w przedziale 10-8<THR≤10-9 [h-1].
Z zagadnieniem tym wiąże się konieczność kontroli świecenia się świateł oraz poprawnej pracy. Kwestia ta jest rozwiązana w sposób prosty w przypadku sygnalizatorów z żarowym źródłem światła. Natomiast w przypadku zastosowania technologii LED-owej stanowi ona wyzwanie dla producentów. Dzieje się tak, ponieważ w czasie świecenia się danej komory przez żarówkę płynie prąd – obwód jest zamknięty. W przypadku przepale-nia włókna żarowego prąd w obwodzie przestaje płynąć, co jest jednoznacznie interpreto-wane jako nie świecenie komory. W przypadku technologii LED-owej zagadnienie to sta-je się problemem – wyzwaniem, ponieważ w przypadku diod możliwe sta-jest przepalenie diody wraz z utrzymaniem stanu zwarcia, dlatego w tym przypadku kontrola jest utrudnio-na. Pewnym zagadnieniem wymagających zmian w stosunku do zapisów dedykowanych technologii żarowej jest to, iż w przypadku sygnalizatorów LED-owych należy zapewnić układ pomiarowo-kontrolny dla każdej z komór. Zadaniem układu ma być nadzór nad sta-nem punktu(-ów) świetlnego(-ych). Reasumując aspekt zapewnienia bezpieczeństwa jest podstawą do projektowania, wytwarzania i eksploatowania urządzeń srk.
W praktyce kontrola świecenia odbywa się najczęściej poprzez zastosowanie czułych układów pomiarowych natężenia prądu płynącego przez diodę lub łańcuch diod. Produ-cenci określają zakres pracy komory – przedział napięcia elektrycznego (natężenia prądu) dopuszczalny dla rozwiązania. Jeśli układ pomiarowo-kontrolny wskazuje wartość z adekwatnego przedziału interpretowane jest to jako poprawna praca komory. Informacja logiczna o stanie komory, wypracowana za pośrednictwem układów kontrolno-pomiarowych, przekazywana jest do urządzeń zależnościowych. Pewne analogiczne roz-wiązania mają zastosowanie w przypadku sygnalizatorów żarowych sterowanych za pośrednictwem urządzeń komputerowych.
Rozwiązania te cechuje stosunkowo duża dokładność pomiaru wartości prądu w obwo-dzie. Sygnalizator LED-owy, jako urządzenie wyposażone w zestaw elementów elektro-nicznych, wymaga zastosowania układów pomiarowym charakteryzujących się jeszcze większą dokładnością pomiaru, niż rozwiązania stosowane w sygnalizatorach żarowych. Kluczowym jest uzupełnienie rozwiązania bazującego na zastosowaniu układu kontrolno-pomiarowego o element potwierdzający rzeczywisty stan komory sygnalizatora, gdyż ma to bezpośredni wpływ na zapewnienie bezpieczeństwa prowadzonego ruchu.
Zdefiniowano dwa podstawowe sposoby zapewnienia kontroli, stanowiące uzupełnienie stosowania układu kontrolno-pomiarowego: fotodioda kontrolująca świecenie (nie świece-nie) komory oraz fotorezystor.
2.3.1. Fotodioda
W związku z wadą diod LED, przejawiającą się utrzymaniem przepływu prądu mimo uszkodzenia diod, niezbędne jest stosowanie dodatkowego elementu kontrolnego. Jego zadaniem jest uzupełnienie a zarazem potwierdzenie informacji logicznej o świeceniu lub wygaszeniu komory. Tak jak nadmieniono powyżej, nawet bardzo dokładne układy pomia-rowe, wymagają stosowania posiłkowego komponentu, uzupełniającego informację nt. stanu komory. Elementem zapewniającym skuteczne wykrycie rzeczywistego stanu komo-ry jest dodatkowa dioda, włączona w odpowiedni układ komokomo-ry, wyposażonej w LED-owe źródło światła. Zastosowana fotodioda nie stanowi źródła światła komory, lecz fotodetek-tor, w którym w wyniku oświetlenia zmieniają się parametry elektryczne elementu. Foto-detektor umożliwia pracę przy braku polaryzacji oraz przy polaryzacji zaporowej, kiedy to w wyniku oświetlenia złącza, następuje wzrost prądu wstecznego, proporcjonalny do natężenia oświetlenia [15]. Stan fotodiody stanowi informację logiczną o świeceniu komory lub jej wygaszeniu. W przypadku, gdy informacje pochodzące z układu kontrolno-pomiarowego oraz fotodiody są spójne, interpretowane jest to jako świecenie lub wygasze-nie komory – w zależności od wypracowanych przez te rozwiązania informacji logicznych. W przypadku, gdy układ kontrolno-pomiarowy i uzupełniający element w postaci fotodio-dy wskazują rozbieżne stany komory, zewnętrzny system sterowania sygnalizatorem po-winien doprowadzić do wyświetlenia sygnału zabraniającego, a jeśli wskazaniem wyświe-tlanym w momencie stwierdzenia awarii był sygnał zabraniający, system ten powinien doprowadzić do niezwłocznego wygaszenia sygnalizatora.
2.3.2. Fotorezystor
Kolejną koncepcją stosowaną przez producentów w przypadku sygnalizatorów LED-owych, mającą na celu kontrolę świecenia komory jest zastosowanie fotorezystora. Fotore-zystor jest elementem półprzewodnikowym, w którym pod wpływem zmiany oświetlenia następuje zmiana jego przewodności, a tym samym zwiększenie natężenia prądu płynące-go przez fotorezystor.
Fotorezystor umieszcza się wewnątrz komory, sytuując go tak, by strumień świetlny emitowany przez źródło światła podczas świecenia komory trafiał również na powierzch-nię fotorezystora, zmieniając jego rezystancję, a więc i prąd przez niego płynący. Pod-czas wygaszenia komory wartość natężenia oświetlenia padającego na fotorezystor dąży do zera. Zmiana wartości natężenia prądu płynącego przez fotorezystor w wyniku załączenia
(wyłączenia) świecenia komory i utrzymanie odpowiednio wysokiego (bliskiego zeru) natężenia oświetlenia, interpretowane jest jako potwierdzenie świecenia (wygaszenia) ko-mory. Liczba zastosowanych detektorów oraz ich położenie zależą od konkretnej koncep-cji producenta. Warto również nadmienić, iż dzięki niewielkim wymiarom, fotorezystory nie przesłaniają strumienia generowanego przez źródło światła. Ich rozmieszczenie rów-nież nie powinno powodować ujemnych skutków w tym zakresie. Stosowanie dodatkowej formy kontroli stanu świecenia komory jest niezbędne, a cechy fotorezystora sugerują, iż może on pełnić tę funkcję w komorach sygnalizatorów LED-owych.
Innym zagadnieniem wymagającym rozpatrzenia jest to, kiedy należy uznać sygnaliza-tor (komorę) za ciemny. W przypadku sygnalizasygnaliza-tora żarowego komora może przyjmować dwa stany: świecąca lub wygaszona. Natomiast stosując technologię LED-ową zagadnienie jest bardziej skomplikowane. W przypadku konstrukcji wykorzystującej pojedyncze, punk-towe źródło światła napięcie (natężenie) spoza odpowiedniego zakresu, zmierzone przez wyżej wspomniany układ oraz informacja z dodatkowego elementu kontrolnego, interpre-towane jest jako światło wygaszone.
Zagadnienie wygląda inaczej w przypadku stosowania LED-ów w postaci matrycy. Rozwiązania wykorzystujące matrycę LED-ową narażone są na usterkę pewnej części diod. Potencjalna usterka może zostać spowodowana przez wandalizm, defekt elementów lub przepalenie poszczególnych diod [1]. W przypadku wielu punktowych niezależnych źródeł światła najbardziej popularnym rozwiązaniem wśród producentów jest przyjęcie pewnej granicznej wartości – stanowiącej określony odsetek – świecących się diod, jako wartość progową dla świecącej i wygaszonej komory. Wartość tę zazwyczaj wyznacza się jako 70-80% liczby zastosowanych w matrycy diod. Jednakże zastosowany próg powinien być dobrany w taki sposób, aby strumień świetlny wygenerowany przez progowy odsetek diod sprawnych był nadal widoczny i spełniał wymagania związane z widocznością wska-zania. Należy jednak mieć na uwadze, iż zbyt duża wartość światłości sygnału może po-wodować niepożądany efekt widzenia.
Rozpatrując przypadek, gdy matrycę LED tworzy pewna liczba łańcuchów wyposażo-nych w określoną liczbę diod w łańcuchu należy zastanowić się nad metodyką wyznacze-nia warunków, dla których uznaje się komorę za niesprawną. Podejście producentów różni się również i w tym zakresie, ponieważ niektórzy z nich uznają semafor za ciemny w przy-padku, gdy awarii ulegnie choćby jedna dioda z choćby jednego łańcucha. Jest to podejście bardzo restrykcyjne, bezpieczne, które może jednak okazać się w praktyce bardzo kosz-towne (wymaga wymiany matrycy lub jej fragmentu). Ponadto rozwiązanie to cechuje wy-soka awaryjność rozwiązania. Inne podejście charakteryzuje się tym, iż komorę uznaje się za ciemną w przypadku awarii jednego z „n” łańcuchów. Natomiast pewnym zabiegiem ze strony producentów, jest takie rozmieszczenie łańcuchów na matrycy, aby usterka poje-dynczego łańcucha nie powodowała znacznego pogorszenia widoczności wskazania.
2.4. ZARZĄDZANIE CIEPŁEM W UKŁADZIE
Zmianą konstrukcyjną wynikającą z zastosowania nowej technologii jest konieczność wy-posażenia komory w element odprowadzający ciepło z układu elektronicznego. Dzieje się tak ze względu na ujemny wpływ ciepła emitowanego przez świecące diody na pracę
ele-mentów elektronicznych. Kolejnym argumentem jest niekorzystny wpływ temperatury na intensywność świecenia diody oraz długość fali dominującej oraz odbieraną jakość gene-rowanego sygnału [6]. Sygnalizatory żarowe nie wymagały odprowadzania ciepła przez dodatkowe układy, jednak w przypadku stosowania układów elektronicznych jest to w zasadzie element niezbędny do prawidłowego działania. Na rysunku 5 zaprezentowano przykładowy radiator odprowadzający ciepło z układu. Zgodnie z [8] wzrost temperatury powoduje zmniejszenie strumienia świetlnego oraz przesunięcie charakterystyki widmowej w stronę fal długich. Przesunięcie charakterystyki widmowej wynika z zależności szeroko-ści przerwy energetycznej półprzewodnika od temperatury.
3. BEZPIECZEŃSTWO
Warto zaznaczyć, iż zagadnienia omówione w rozdziale 2 mają wpływ na bezpieczeństwo stosowania sygnalizatorów LED, a więc i bezpieczeństwo prowadzenia ruchu kolejowego. Ze względu na istotną rolę sygnalizatorów w zapewnieniu bezpieczeństwa ruchu kolejo-wego zasadne wydaje się wypunktowanie aspektów technologii LED, które mogą mieć wpływ na niepoprawne działanie sygnalizatora, a tym samym negatywny wpływ na bez-pieczeństwo. Należą do nich:
stosowanie białego źródła światła,
deformacja sygnału świetlnego wskutek braku stabilności parametrów zasilania, deformacja sygnału świetlnego wskutek nadmiernego wzrostu temperatury w
komo-rze,
skuteczność kontroli świecenia komory, skuteczność kontroli uszkodzenia źródła światła.
Stosowanie białego źródła światła - w przypadku sygnalizatorów żarowych źródło świa-tła stanowi żarówka określonego typu, która cechuje się stałą temperaturą barwy emitowa-nego światła. W przypadku białych diod LED mamy do czynienia ze źródłami o zróżnico-wanej temperaturze barwowej. Występujące w widmie prążki barwy niebieskiej oraz żółtej w połączeniu z kolorowymi soczewkami mogą wpływać na zmianę koloru światła emito-wanego z sygnalizatora, a co za tym idzie, doprowadzić do przekazania mylnego sygnału. Ponadto diody kolorowe dostępne na rynku cechują się zróżnicowanym składem chemicz-nym co przekłada się na zróżnicowanie w zakresie parametrów fotometrycznych i ograni-czenie możliwości uzyskania powtarzalnego efektu.
Przy barku stabilności źródła zasilania komory LED nawet w niewielkim zakresie może dochodzić do przegrzewania się diod LED, zmian poziomu jasności oraz do skrócenia cza-su bezawaryjnej pracy.
Przegrzewanie się komory z dowolnego powodu wymaga odprowadzania ciepła gdyż jego nadmiar prowadzi do zmian parametrów pracy.
Skuteczna kontrola świecenia komory wymaga opracowania nowych rozwiązań o po-dobnym stopniu pewności jak w przypadku technologii żarowej. W przypadku technologii LED-owej zagadnienie to staje się problemem, ponieważ dla elementu elektronicznego jakim jest dioda, możliwe jest jego przepalenie wraz z utrzymaniem stanu przewodzenia
(zwarcia). To zjawisko znacząco utrudnia wykorzystanie kontroli przepływu prądu w obwodzie do stwierdzenia świecenia. Dla realizacji tego rozwiązania wykorzystywane są bardzo czułe układy pomiarowe i stabilne źródła zasilania. Innym podejściem jest sto-sowanie dodatkowych elementów badających emitowany sygnał świetlny. Jednak oba rozwiązania ze względu na swoją złożoność muszą mieć dodatkowo potwierdzoną pew-ność działania.
Reasumując można stwierdzić, że technologia LED wprowadza dodatkowe ryzyka do funkcjonowania sygnalizatora, które muszą być minimalizowane. Należy pamiętać, że ich występowanie ma wpływ na ogólny bilans korzyści z jej stosowania.
4. WNIOSKI
W wyniku analizy stwierdzono, iż istnieją liczne różnice pomiędzy technologią żarową a technologią LED-ową, a zastosowanie diod w sygnalizatorach kolejowych generuje wiele wyzwań. Powyższe sugeruje potrzebę opracowania wymagań dedykowanych sygnalizato-rom LED-owym, poprzedzoną opracowaniem i realizacją badań, pozwalających na wyzna-czenie optymalnych wymagań dostosowanych do specyfiki technologii oraz potrzeb kolei. Co więcej implementacja nowej technologii wprowadza nowe ryzyka do funkcjonowania sygnalizatora. Być może należy rozważyć zasadność stosowania technologii LED w kolej-nictwie.
Różnorodność potencjalnych komponentów tworzących układ optyczny sygnalizatora LED-owego jest na tyle duża, iż efekty osiągane za pośrednictwem kolejnych kombinacji różnią się znacząco. Dlatego wymagane jest przebadanie poszczególnych kombinacji w celu wyznaczenia optymalnej kombinacji elementów. Omówione zagrożenia płynące ze stosowania białego źródła światła oraz kolorowego filtru mogą przyczynić się do powsta-nia sytuacji niebezpiecznej, dlatego sugeruje się podążanie za podejściem zarządców za-granicznych i stosowanie zabarwionych diod LED wraz z bezbarwną soczewką. Kolejnym istotnym aspektem jest zapewnienie bezpieczeństwa, rozumianego jako posiadanie kontroli nad rzeczywistym stanem komory (świeceniem lub wygaszeniem). Zdaniem autorów owe bezpieczeństwo można uzyskać przy zastosowaniu nie tylko dokładnego układu kontrolno-pomiarowego, lecz również dodatkowego elementu kontrolującego rzeczywisty stan ko-mory, w postaci fotodiody lub fotorezystora. Kolejnym zagadnieniem mającym związek z zapewnieniem bezpieczeństwa jest zasilanie matrycy stabilnym źródłem prądowym. Po-nadto na bezpieczeństwo wpływa również utrzymywanie stałej temperatury wewnątrz ko-mory sygnalizatora LED, osiągane za pośrednictwem niezbędnego elementu odprowadza-jącego ciepło z układu – w postaci radiatora.
Istotnym zagadnieniem jest również brak wymagań dedykowanych technologii LED-owej, stosowanej w sygnalizatorach kolejowych, zaś już opisane w artykule różnice wska-zują na ewidentną potrzebę opracowania ww. wymagań. Ustawodawcy powinni uwzględ-nić wymagania stawiane sygnalizatorom kolejowym w prawie krajowym [5, 10, 11], a wymagania te powinny uwzględniać specyfikę technologii LED oraz aspekty istotne z punktu widzenia eksploatacji i utrzymania urządzeń, co z kolei sugeruje, iż zarządcy in-frastruktury powinni uczestniczyć w procesie opracowywania wymagań.
Bibliografia 1. Evolution of LED Signal Systems, University of Alabama, 2004.
2. Instrukcja konserwacji, przeglądów oraz napraw bieżących urządzeń sterowania ruchem kolejowym Ie-12 (E-24), Warszawa, 2014.
3. Kochan A. „Wybrane aspekty procesu certyfikacji WE podsystemu Sterowanie” konferencja „Rozwój polskiej infrastruktury kolejowej” , Raszyn 2015 r.
4. Koper E. „Opracowanie specyfikacji technicznej dla sygnalizatora kolejowego wykorzystującego źródło światła LED”, Warszawa 2016.
5. Lista Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego w sprawie wykazu właściwych specyfikacji technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczących interoperacyjności systemu kolei z dnia 19.01.2017.
6. LED Applications in Railway Signals: Wavelength and intensity vs Temperature variation, Journal of Transportation Technologies, G.Spagnolo, D. Papalillo, Roma, January 2011.
7. Norma BN-89/3506-32 Urządzenia zabezpieczenia ruchu kolejowego. Latarnie sygnałowe i semafory świetlne karzełkowe EHA-1 Wymagania i badania.
8. Oleksy M., Kraśniewski J., Janke W. „Wpływ temperatury na charakterystyki optyczne i elektryczne diod LED mocy, Koszalin 2014.
9. Optimisation of the colse and long-range viewing of signals - final report, 2008.
10. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnai 13 maja 2017r. w sprawie dopuszczania do eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych Dz.U. 2014 poz.720. 11. Rozporządzenie Ministra Transportu , Budownictwa I Gospodarki Morskiej z dnia 27 grudnia 2012r w
sprawie wykazu właściwych specyfikacji technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczących interoperacyjności systemu kolei (Dz.U. poz. 43).
12. Technical Report of LED-Signals, International Union of Railways, September 2012. 13. Technika świetlna, W. Felhorski, Warszawa,1960.
14. http://www.if.pwr.edu.pl 15. http://www.cyfronika.com.pl 16. http://layer.uci.agh.edu.pl 17. http://www.ep.com.pl
SELECTED ASPECTS RELATED TO THE USE OF THE LED TECHNOLOGY FOR RAILWAY SIGNALING
Summary: The article contains selected problems and challenges related to use of LED technology for
rail-way signaling. Authors have focused on selected aspects connected indirectly or directly with safety, the most important – in authors’ subjective opinion. Not concerned aspects connected with the technology can be a subject of another publication. An existing procedures dedicated to signal with conventional bulbs are not proper for properties of LED technology. The parameters of visibility as well as recognition should be again taken into consideration.
According to the authors, grounds of using this technology in a railway signal should be consider. In case of positive result mass use of the LED signaling should be preceded by development of the requirements for railway signals and theses requirements in the scope of photometric parameters should be determined on the base of the tests. The conclusions coming from analysis of the LED technology as well as practical
experi-ence of the European infrastructure managers are depicted in the article. The variety of the components nec-essary for formulation the stream of the light proper for railway signals are presented as well. The differences between LED technology and conventional bulbs create need of the verification of the existing requirements for the source of light implemented for railway signaling. Verification should be conducted on the base of photometric tests. Such test should be well defined from the technical point of view as well as from the or-ganizational and legal point of view. According to the authors the universal combination of components for the source of light should be evaluated. The requirements defined for railway signals with conventional bulbs can be used for LED technology but this usage will not be suitable for LED technology and can generate some dangers from exploitation point of view.
