Light emitting diodes in traffic applications
Dr. Ábrahám György, MTA doktora
Dr. Nagy Balázs Vince, PhD
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék, 1111 Budapest, Bertalan L. u. 2-4.; tel.: 463-2602; email: abra@mogi.bme.hu; www.mogi.bme.hu
Abstract
The trend in traffic light signalling today is the involvement of increasing number of light emitting diode (LED) based solutions. In our development we show a novel LED signal for railway application using color LEDs and specific filters for retrofitting classical light sources in their lamp housing. The specific signal colors and the selection of appropriate LEDs are optimized considering human color vision.
Összefoglaló
A közlekedési jelzőlámpákat manapság rohamosan cserélik le LED-es fényforrásokra. Egy különleges megoldást mutatunk be, amelyben meglévő vasúti jelzőlámpákat csak részleges átalakítással kellett LED-esíteni. A megfelelő színes LED-ek kiválasztásánál és a színszűrőkhöz való illesztésénél az emberi színlátás alapján végeztünk optimalizációt.
Kulcsszavak: LED, közlekedési jelzőlámpa, vasúti lámpák, színlátás, színszűrő
1. BEVEZETÉS
A közlekedésben egyre nagyobb teret kapnak a LED-es világítótestek. Hosszú élettartamuk, az izzólámpáknál jelentősen jobb fényhasznosításuk, ergonomikus elhelyezhetőségük, különböző színezetekben való megjelenésük olyan előnyöket bizosít, amelyeket mind a járműipar, mind a közlekedésbiztonság terén előszeretettel használnak ki. A LED-es forgalomirányító rendszerek mellett egyre több gépjárműbe szerelnek nem csak LED-es jelzőfényeket, de világítási célú világítótesteket is.
A vasúton alkalmazott forgalomirányító világítótestekkel szembeni alapvető követelmény három, különböző színezetű fényjelzés megjelenítése kellően nagy fényerősséggel. A megfelelő fényintenzitás-eloszlást és a három színezetet (vörös, sárga, zöld) többféle lámpakonstrukcióval szokás biztosítani a klasszikus, izzólámpás és színszűrős kialakításoktól kezdve, a világító diódás megoldásokig. A világítótestekben található gyűjtőlencse feladata, hogy a fényforrásból kisugárzott energiát minél nagyobb térszögben összegyűjtse és azt a vasúti szabványok által előírt intenzitás-profil szerint továbbítsa.
Fejlesztési munkánkban egy különleges megoldást választottunk nem utolsó sorban gazdasági szempontokat is figyelembevéve. A klasszikus izzólámpát alkalmazó lámpatestet kívántuk úgy átalakítani, hogy kizárólag a fényforrás izzólámpáról LED-re történő cseréjével alkalmazható jelzőberendezést kapjunk, amely megfelel a szabvány előírásoknak. A világítótestben egy vörös és egy zöld nagyteljesítményű világító dióda fényét bocsátjuk át a színszűrő váltó mechanizmusban elhelyezett vörös és zöld színszűrőkön illetve egy szűrő nélküli váltópozícióban. Ezáltal a keletkezett fénnyel megvalósítjuk az előírt vörös, zöld és sárga színezeteket. Mivel a vörös szűrő a zöld világító dióda fényét spektrálisan kiszűri így esetében vörös színezetű fényt kapunk. Hasonlóan a zöld szűrő a vörös világító dióda fényét szűri ki spektrálisan, ezért esetében zöld színezetű fényt kapunk. A szűrőváltó mechanizmus harmadik állásában nincsen behelyezett színszűrő, ezért itt a két elektronikusan teljesítmény szabályozott világító dióda fényének additív színkeverése jön létre, amely sárga színérzetet okoz a normál színlátó emberi szemben. Ehhez a világító diódák emissziós spektrumából (1. ábra) és az emberi színlátás mechanizmusainak (Ábrahám, 2007) spektrális eloszlásából (2. ábra) számított emberi színérzékelési értékek ismerete szükséges.
1. ábra
Zöld, vörös és fehér LED spektrumok
2. ábra
Az emberi színlátás opponens jeleinek spektrális eloszlása
2. A TERVEZÉS MENETE
Ahhoz, hogy az új LED-es megoldást megtervezhessük, előbb el kellett végezni az eredeti lámpák színtani analízisét és meg kellett mérnünk a színszűrők spektrális transzmisszióját (3. ábra). Az izzólámpa a zöld szűrővel cby = 0 színkoordinátát adott, ami türkiz-zöld színészleletnek felel meg. A vörös szűrővel crg = 0,99 eredményezett, ami vörösnek felel meg. A sárga szűrővel pedig crg = 0,54 színkoordinátát eredményezett, ami narancsos sárga színnek felel meg.
3. ábra
A vizsgált vasúti lámpák színszűrőinek transzmissziói
4. ábra
A konstrukció optikai felépítése
Tekintettel arra, hogy a fehér LED-ek spektrumai és a színszűrők együttesen nem eredményeznek sem energetikailag, sem színtanilag megfelelő eredményt, vörös és zöld LED-ek együttes alkalmazását tartottuk célszerűnek (4. ábra). A sárga fényt a vörös és a zöld LED együttesen biztosítja, színezetét finoman be lehet állítani a két LED additív intenzitás viszonyával. A vörös és zöld LED színezetét a lámpa vörös és zöld színszűrője nem hangolja el, míg a vörös színszűrő kiszűri a zöld LED illetve a zöld színszűrő kiszűri a vörös LED fényét, tehát állandóan bekapcsolva lehet mindkettő. A sárga fény előállításához egy féligáteresztő tükör (vagy osztóprizma) alkalmazása válik szükségessé, ami ahhoz kell, hogy virtuálisan mindkét LED pontosan az optikai tengelyen lehessen, úgy keverhetők ugyanis össze spektrumaik. A féligáteresztő tükör osztási aránya 25/100 kell legyen, külső oldalait reflexió mentesíteni kell. Az így kikevert sárga színkoordináta crg = 0,54, amelynek előállítását a LED-ek intenzitás arányán kívül a féligáteresztő tükör osztási aránya is elősegíti. A LED-ek hűtését passzív hűtőbordás megoldás bizosítja.
3. A kifejlesztett konstrukció mérési eredményei
A vasúti lámpák fényerősségeit az előírások szerinti vizsgáltuk. A mért és ajánlott fényerősség eloszlásgörbéket a vörös fényjelzés esetére mutatja az 5. ábra a horizontális síkban különböző irányokban.
5. ábra
Vörös fényjelzés mért (vörös) és előírt (fekete) értékei
4. Konklúzió
A kialakított konstrukció mindössze egy-egy alkalmasan választott vörös, ill. zöld LED és egy megfelelő féligáteresztő tükör (vagy osztóprizma) segítségével biztosítja a kívánt vörös, zöld és sárga fényerősséget. A LED-ekkel az izzólámpáéhoz képest még koncentráltabb fénynyalábok keletkeznek, ami a 3° – 6°-os irányban ezért nem éri el az izzólámpa eloszlását, a 0°- 3°-ban pedig jóval meghaladja azt. Megítélésünk szerint, mivel a 3° – 6°-os kb. 40 m-nél közelebbi távolságon belüli lámpa észlelést jelent, az a körülmény, hogy az új konstrukció koncentráltabb fényt ad, inkább előny, hiszen távolabbról teszi észlelhetővé a jelzőt.
A következtetések alapján a felhasználók számára két, alternatív javaslatot lehet tenni:
a./ Egy előre elkészített, beszabályozott LED-es prizmás fényforrásegységet kell beszerelni az izzólámpa helyére és egyidejűleg a sárga színszűrőt eltávolítani a foglalatból (a vörös és a zöld maradhat). Ez esetben a két LED állandóan világít és a hagyományos szűrőváltás állítja be a kívánt színt.
b./ Eltávolítani a teljes szűrőváltó egységet, ezzel megszabadulni a mozgó elemektől és beszerelni a LED-es, féligáteresztő tükrös, beszabályozott fényforrás egységet az izzólámpa helyére. Ez esetben a szűrőváltó helyett a vezérlésnek kell gondoskodni a piros és a zöld LED külön ill. együttes kigyújtásáról.
Az a./ változat helyszíni szereléssel megoldható, míg a b./ változat műhelyben elvégezhető, mivel a lámpaház nagymértékű szétszerelésével jár.
[1] Ábrahám,Gy., Nagy,B.V.: Organic Color System. AIC Symposium, Budapest, 2007
[2] Kaiser, P.K., Boynton, R.M.: Human Color Vision. Optical Society of America, USA, 1996
[3] Mollon, J.D.: The origins of modern color science. The science of color. Elsevier Ltd., 2003
[4] Stockman, A., Sharpe, L.T.: Cone spectral sensitivities and color matching. In Color Vision: From Genes to [5] S.E.Palmer: Vision science, A Bradford Book, The MTI Press, Cambridge, Massachusetts, 1999., Chapter Three, p112-117.
[6] Kingbright webpages: www.kingbright-europe.de
[7] LED Museum webpages : www.ledmuseum.org
[8] GELcore webpages: www.led.com