Koncept bezpečnosti bezpečného elektrooptického dohlížecího obvodu železničního návěstidla s výkonovými svítivými diodami

Transkript

1 Koncept bezpečnosti bezpečného elektrooptického dohlížecího obvodu železničního návěstidla s výkonovými svítivými diodami Petr Hloušek, Ivan Konečný, Jiří Poucha, KAE FEL ZČU Plzeň 1. Úvod Nekonvenční světelné zdroje na bázi svítivých diod (LED) jsou v návěstní optice využívány již řadu let. Problémy, které přináší jejich praktické uplatnění byly rovněž předmětem řady příspěvků na předchozích seminářích pořádaných KAE FEL ZČU Plzeň, nevyjímaje seminář letošní. Cílem předloženého příspěvku je seznámit odbornou veřejnost s konceptem bezpečného dohlížecího obvodu výkonových svítivých diod, kterými lze nahradit žárovku v konvenční návěstní optice. Využití výkonových svítivých diod v optice pozitivního signálu konvenčních výstražníků bylo předmětem předchozích výzkumných a doktorandských prací na KAE [2,3] a tento příspěvek na předchozí práce tématicky úzce navazuje. 2. Možnosti řešení optiky železničních návěstidel s výkonovými svítivými diodami V současné době se v praktických aplikacích nejčastěji používá praxí prověřené řešení spočívající v realizaci matice svítivých diod vhodné barvy geometricky uspořádaných na kruhovém terči tak, aby ve spojení s jednoduchou přídavnou optikou bylo realizováno požadované těleso dohlednosti a barevné světlo v souladu s platnými standardy. Dohlížecí obvody, kterými je kontrolována funkčnost takto realizovaného světelného zdroje jsou řešeny různými výrobci v široké škále od naprosto primitivních řešení s pochybnou funkčností až po sofistikované procesorově orientované funkční bloky s garantovanou integritou bezpečnosti SIL4. (viz. lit. [4,5,6]). Ze závěrů příspěvku [2] vyplývá, že pokrok v technologiích výkonových svítivých diod umožňuje dosáhnout vyhovující osové svítivosti a požadovaného tělesa dohlednosti při přímé náhradě návěstní žárovky výkonovými svítivými diodami vhodně umístěnými v ohnisku optického systému konvenční návěstní svítilny typu AŽD 71 standardně osazované žárovkou 12V/20W. Po získání pozitivních zkušeností s náhradou žárovky výkonovými LED diodami v optice pozitivního signálu výstražníku popsané v lit. [7] se soustředila pozornost řešitelů na KAE na prověření možnosti náhrady návěstní žárovky ve svítilně modrého světla typu AŽD 71 jak co do splnění normovaných optických parametrů, tak návrhu dohlížecích obvodů s integritou bezpečnosti SIL4. Pro výběr náhrady návěstního světla modré barvy konvenční žárovkové svítilny je několik objektivních důvodů: Návěstní světlo modré barvy se získává ze světelného zdroje realizovaného žárovkou s relativně nízkým měrným výkonem [lm/w]. Jak je ukázáno na obr.1. je v oblasti viditelného spojitého spektra světelného záření žárovky v oblasti vlnových délek 390 nm až 790 nm amplituda spektra modré barvy v porovnání se zbývajícími barevnými spektry nejnižší. (Převzato z lit. [1]). 1

2 Obr.1. Typické vlnové spektrum světla žárovky od 390 nm do 790 nm (viditelné světlo) Barevné souřadnice světla modré barvy pro návěstní optiku musí v souladu s vyhl. č.173/95 ležet v tolerančním poli kolorimetrického trojúhelníka CIE 1931 tak, jak je znázorněno na obr.2. Obr.2. Toleranční pole světla modré barvy Barevný filtr modré barvy v návěstní optice předřazený před návěstní žárovku bude propouštět spojité spektrum v rozmezí cca 455 nm až cca 475 nm s nízkým útlumem, zbývající spojité spektrum návěstní žárovky bude zadržovat s vysokým útlumem, jak je schematicky znázorněno v části A. na obr.3. V části B. obr.3. je znázorněn elektrický náhradní model optického prostředí realizovaný širokospektrálním zdrojem elektrického signálu, filtrem typu pásmová propust a zatěžovacím rezistorem (spotřebičem). Z obrázků je zřejmé, že při konverzi viditelného spektra žárovky na spektrum modré barvy je využita pouze malá část celkového barevného spektra s malým podílem amplitudy modré barvy vzhledem ke zbývajícím barvám. V části C. obr.3. je znázorněna generace světla modré barvy s kvazidiskrétním spektrem pomocí modré LED diody, které padá do propustné části útlumové charakteristiky barevného filtru modré barvy. 2

3 Ž OFM M Popt OFM - Optický filtr modré barvy λ [nm] A. Spektrum modrého světla po filtraci světla žárovky R1 PP U1 R2 U2 B. Elektrický náhradní model I LED Popt L E D λ [nm] C. Spektrum modré svítivé diody Luxeon Rebel Royal Blue Obr.3. Schématické znázornění generace spektra modré barvy Z výše uvedených spektrálních diagramů pro generaci návěstního světla modré barvy filtrací širokopásmového světla návěstní žárovky v porovnání s generací úzkopásmového spektra modře svítivé LED diody je zřejmé, že se záměnou světelných zdrojů ve stávající návěstní optice dosáhne nejvyšší účinnosti konverze elektrického příkonu k vyzařovanému světelnému toku v porovnání se zbývajícími barvami. Na železniční infrastruktuře SŽDC je návěstní znak Zákaz posunu reprezentovaný světlem modré barvy na světelných návěstidlech při současném mizivém rozsahu nákladní dopravy a staničního posunu po většinu času trvale aktivní. Finanční úspory vyplývající z vyšší účinnosti a životnosti modré LED mohou být proto v porovnání s návěstní žárovkou pro správce infrastruktury zajímavé. Ověřované výkonové modře svítivé diody Philips LUXEON REBEL s vyhovujícím světelným výkonem pro danou aplikaci výrobce dodává v provedení Blue a Royal Blue s vyzařovaným světelným spektrem které padá do tolerančního pole modré kolorimetrického trojúhelníka CIE 1931 na obr.2. 3

4 3. Koncept bezpečnosti dohlížecího obvodu výkonových návěstních LED diod Základní problém bezpečného dohlížení generace světelného toku požadované intenzity generovaného výkonovou LED (popsaný např.v [2]) spočívá v tom, že na rozdíl od návěstní žárovky nelze z měření (resp. detekce dostatečného napájecího proudu) získat bezpečnou informaci o tom, že zdroj s LED generuje vyhovující světelný tok. Princip jednoho z vyhovujících řešení tohoto problému je znázorněn na obr.4. byl navržen doktorandem na KAE a ověřen v laboratorních podmínkách s pozitivními výsledky. Opticky průhledné společné pouzdro LED LED I U P1 /U F1 U P2 /U F2 Obr.4. Principielní řešení optoelektrického vazebního obvodu Dvojice výkonových svítivých diod LED1 a LED2 je umístěna v těsné blízkosti vedle sebe ve společném průhledném pouzdru umístěném v ohnisku návěstní optiky. (Jako vhodné pro tento účel se jeví výkonové diody v miniaturním pouzdru, např. Philips Luxeon Rebel). Svítivé diody jsou napájeny ze zdroje konstantního proudu pomocí elektronického přepínače s přepínacím kmitočtem 50 Hz tak, že v první polovině periody přepínacího kmitočtu svítí LED1, v druhé polovině periody přepínacího kmitočtu svítí LED2. Částí světelného toku který generuje buzená LED dioda je prostřednictvím těsné optické vazby mezi LED diodami osvícen PN přechod druhé LED diody, který v tomto režimu pracuje jako zdroj fotovoltaického napětí (fotodioda), jehož amplituda je úměrná intenzitě světelného toku buzené svítivé diody. V druhé půlperiodě přepínacího kmitočtu je funkce LED diod komplementární, svítivá dioda LED2 je zdrojem optického světelného toku, jehož část je využita pro generaci fotovoltaického napětí na svorkách LED1. Většina světelného toku generovaného přepínanými LED diodami je vyzářena optikou návěstní svítilny do vnějšího prostředí. Napěťové úrovně na svorkách přepínaných diod odpovídají v bezporuchovém stavu napětím v propustném směru U p u buzené LED diody (pro modré světlo cca 3,5V) a úrovni fotovoltaického napětí U F u nebuzené LED diody ( cca 1,5V při vyhovujícím generovaném světelném toku od buzené LED). Svorková napětí na dvojici svítivých diod v bezporuchovém stavu se tedy periodicky skokově mění s opakovacím kmitočtem 50 Hz mezi úrovněmi cca 1,5 V a cca 3,5 V. Rozborem uvažovaných poruchových stavů principielního obvodu na obr.4. se lze přesvědčit, že v poruchových stavech dojde ke změně minimálně jednoho z parametrů svorkových napětí svítivých diod LED1 a LED2. V případě, že se bezpečným způsobem vyhodnotí uvažované poruchové stavy svorkových napětí na LED1 a LED2 je možné naznačený princip podle obr.4. prakticky využít k bezpečné detekci dostatečného generovaného světelného toku výkonovými svítivými diodami. 4

5 4. Možnosti praktické realizace napájecích obvodů dvojice výkonových LED diod Na následujícím obr.5. je znázorněno na blokovém schématu řešení napájecích obvodů dvojice výkonových LED s výše popsanou optickou vazbou. Zapojení bylo funkčně ověřeno v laboratorních podmínkách na KAE v aplikaci náhrady žárovky v návěstní svítilně typu AŽD71 modrého světla s pozitivním výsledkem. ZKP 220V/ 50Hz ST3/R + USM - 100Hz D CL Q Q BS 1 BS 2 ZKP - Zdroj konstantního proudu BS x - Bezkontaktní spínače IP x - Impedanční převodníky LED 1 LED 2 IP 1 IP 2 VÝST 1 VÝST 2 U P1 /U F1 U P2 /U F2 Obr.5. Zapojení napájecích obvodů Napájecím napětím 220V/50Hz se přes návěstní transformátorek ST3/R napájí dvojcestný usměrňovač. Jeho výstupním napětím se napájí jednak zdroj konstantního proudu ZKP, kterým jsou přes plovoucí bezkontaktní spínače BS1 a BS2 periodicky buzeny svítivé diody LED1 a LED2. Střídavou složkou usměrněného napětí o kmitočtu 100 Hz je buzen vstup děliče kmitočtu, z jehož komplementárních výstupů jsou periodicky buzeny kmitočtem 50 Hz obdélníkového tvaru vstupy bezkontaktních spínačů BS1 a BS2. Periodicky proměnné napětí mezi anodami a katodami LED1 a LED2 je přivedeno na vstupy impedančních převodníků IP1 a IP2, napětí na jejich výstupech je přivedeno na vstupy bezpečných dohlížecích obvodů. 5. Možnosti praktické realizace dohlížecích obvodů. Jedno z možných řešení bezpečných dohlížecích obvodů je znázorněno na blokovém schématu na obr.6. Zapojení využívá v praxi mnohokrát ověřeného zapojení bezpečného okénkového komparátoru s dynamickou funkční kontrolou používaného v elektronických funkčních blocích zabezpečovacích zařízení v různých modifikacích již od počátku 80-tých let minulého století doposud. 5

6 φ = 0 BOK 1 VSTUP 1 U P1 /U F1 BOK 2 φ = 0 DK 1 φ = 180 VÝSTUP BOK 3 AND VSTUP 2 U P2 /U F2 BOK 4 φ = 180 DK 2 BOK x - Bezpečný okénkový komparátor DK x - Dekodér kmitavého signálu AND - Součinový obvod Obr.6. Bezpečné dohlížecí obvody. Vstupní periodické signály obdélníkového tvaru o kmitočtu 50 Hz z výstupů impedančních převodníků jsou přivedeny na dvojice bezpečných okénkových komparátorů BOK1 až BOK4. Prahová napětí a šířka okna jsou u jednotlivých komparátorů nastaveny tak, aby liché komparátory BOK1 a BOK3 vyhodnocovaly úrovně předních napětí svítivých diod LED1 a LED2 a sudé komparátory BOK2 a BOK4 vyhodnocovaly fotovoltaické napětí na diodách LED1 a LED2. Výstupy komparátorů jsou přes dekodéry kmitavého signálu DK1 a DK2 přivedeny na bezpečný součinový člen AND. Na výstupu součinového obvodu je generován stejnosměrný signál pouze tehdy, jestliže jsou všechny dohlížené parametry, tj. periodicita přepínání LED a úrovně předních napětí U p a fotovoltaických napětí U F v nastavených tolerančních polích. 6. Závěr. V příspěvku jsou popsány části prací pracovníků KAE a interních doktorandů, které se zabývají výzkumem možností aplikací výkonových svítivých diod v návěstní optice. Popsané řešení implementace výkonových svítivých diod do návěstní optiky svítilny AŽD71 bylo ověřeno v laboratorních podmínkách. Popsané principy bezpečného dohlížecího obvodu jsou předmětem přihlášky PUV. Předpokládaný rozsah dalších prací při řešení popsané problematiky, které by vedly k dotažení naznačeného řešení do ověření v praktických aplikacích je mimo současné možnosti a řešitelské kapacity pracovníků KAE, kteří se popsanou problematikou zabývají. Proto bychom rádi navázali případnou spolupráci s potencionálními zájemci z oblasti firem zabývajících se problémy inovace návěstní optiky. 6

7 Literatura: [1] [2] Konečný Ivan: Přehled vlastností vysoce svítivých diod a možností jejich využití v železniční návěstní optice. In: Přednáška na semináři K aktuálním problémům..ii ZČU Plzeň [3] Štál Petr : Problematika přímé náhrady návěstních žárovek výkonovými svítivými diodami. In: Přednáška na semináři K aktuálním problémům III ZČU Plzeň [4] Esjunin V.I. : Svetodiodnyj zagraditelnyj svetofor. In: Automatika, svaz, informatika č.12/2009 [5] Tuháček Ivan: Problematika specifických inovací zab. zař. řešených firmou AŽD Praha podle požadavků zahraničních zákazníků In: Přednáška na semináři K aktuálním problémům VI ZČU Plzeň [6] Doubek Pavel: Elektronika návěstní svítilny LED typu LLA-1 In: Přednáška na semináři K aktuálním problémům VII ZČU Plzeň [7] Tyr Marek: Pozitivní signalizace s výkonovými svítivými diodami na PZS. In: Přednáška na semináři K aktuálním problémům VI ZČU Plzeň