инженер М.Давыдов (г.Москва)
 

Давыдов Максим Юрьевич. Более  10 лет занимается разработками в области оптических систем на базе светодиодов, в сфере авто и мото техники. Имеет технические решения защищенные патентами, как  в России, так и в США и Европе. В течение полутора лет занимается исследованиями в области железнодорожного головного света. Изучив досконально эту тему, на данный момент предлагает свои разработки, на базе ксеноновых ламп. Первый образец такого прожектора проходит испытания на поезде ЭС2ГП (Ласточка-Премиум). 


Лобовой прожектор железнодорожного подвижного состава. 
Особенности, функции, эффективность.
 
Лобовой  прожектор железнодорожного подвижного состава играет очень важную роль в обеспечении безопасности железнодорожного движения. В этой статье, мы рассмотрим основные виды прожекторов, попробуем разобраться в их эффективности, а так же в поговорим о методике их тестирования и будущем локомотивного света.
Итак, какие бывают лобовые прожектора:
 
Самый первый прожектор – классический ламповый.
Это самый распространённый прожектор, устанавливается с давних пор и используется по сей день на всех видах локомотивов и электропоездов. Имеет достаточно простое устройство. В качестве источника света используется лампа 500 Ватт с нитью накаливания. Свет формирует отражатель диаметром 370 мм. Эта система крепится на общей площадке и имеет возможность путем сдвига лампы относительно отражателя формировать нужный световой пучок (рисунок 1).
 
%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D0%B2%D1%


 Рисунок 1 - Ламповый прожектор (прерывистыми белыми линиями показаны лучи света, не вошедшие в рабочую зону отражателя)
 
К сожалению, у данного прожектора есть масса недостатков. Один из главных – это высокое энергопотребление, которое требует лампа 500 Ватт, надо отметить, что значительная часть потребляемой энергии тратится отнюдь не на образование светового пучка, а выделяется в виде тепла. Так же стоит отметить, что в поле зрения отражателя попадает только 50% света, испускаемого лампой, остальной свет, распространяется свободно, освещая ближайшее пространство перед локомотивом. Именно поперечное расположение лампы (а не продольное относительно оси отражателя) не дает возможность построения более эффективного прожектора. Лампы, используемые в данных прожекторах, имеют малый срок службы. Суммируя вышеперечисленные пункты можно прийти к выводу, что данный вид локомотивных прожекторов устарел и более не может считаться эффективным.
 

Для того чтобы перейти к обсуждению следующих типов прожекторов, нужно понять – какие два правила должны выполняться для максимально комфортной работы человеческого глаза в темное время суток.

1)    Объекты, находящиеся на разном удалении от локомотива должны иметь одинаковую освещенность, либо стремиться к этому. То есть – перепад яркости между ближним пространством и дальним должен быть минимален. Только при таком условии локомотивная бригада сможет комфортно различать объекты на дальнем расстоянии
2)    Для достижения первого правила проекция пучка света должна быть максимально яркой по центру и стремиться к минимуму по краям. (рисунок 2). Таким образом – при правильной настройке прожектора максимум света будет приходится на дальнее пространство (бесконечность), а минимум света будет охватывать ближайшее пространство, тем самым сводя разницу в освещенности к минимуму. 

 

%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%
 

 
Рисунок 2 - Идеальная модель освещения железнодорожного полотна. Максимально подсвеченный центр – самая удаленная часть пути и постепенное затухание яркости к краям обзора. Отсутствуют резкие перепады яркости, а также провалы в черный. Стоит заметить, что данная схема освещения с максимально ярким центром и затуханием по краям в нынешнее время используется во всех автомобильных фарах с ксеноновой оптикой и обеспечивает максимальный комфорт и безопасность. 
 

Теперь, когда мы представляем, каким должен быть свет для максимально комфортной работы локомотивной бригады, перейдем к рассмотрению следующих типов лобовых прожекторов.

 

Светодиодный прожектор.
Данный тип локомотивных прожекторов можно разделить на 3 вида построения оптических систем:
1)    Использование уже готовых коллиматоров известных фирм.
Это хороший компромиссный вариант, который имеет два очень больших плюса. Первый плюс состоит в том, что эти коллиматоры разработчики не только рассчитывают, но и тестируют, поэтому мы имеет реальные данные о светосиле, а не только приблизительные  расчеты. Второй плюс – это 100% охват всего испускаемого светодиодом света. Схема работы коллиматора показана на рисунке 3а.

В настоящее время на рынке имеется несколько десятков узко градусных коллиматоров для разного типа светодиодов. Поэтому построение прожектора по данному принципу не составляет труда. Например, такие прожектора изготавливаются НПО Автоматика и устанавливаются на электровозы, изготавливаемые ООО «Уральские локомотивы» (Рисунок 3б).

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%83%D0%
   %D0%A0%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 3а - Изображение и схема работы коллиматора.               Рисунок 3б - Прожектор электровоза 2ЭС10

 

Но у светодиодных прожекторов с использованием готовых зарубежных коллиматоров существует и минус – это небольшая рабочая площадь коллиматора и как следствие низкий КПД. Данные прожектора дают хороший уверенный свет, но характеристиками по дальности особо не выделяются.

 

2)  Использование узкоградусных отражателей
Принцип работы похожий на рассмотренный выше коллиматорный, и глубоко рассматривать его не стоит. Нужно отметить, что на рынке существует так же большое количество отражателей разной формы и с разными углами отражения. Так же стоит отметить, что в отличии от коллиматора, отражатель охватывает не весь свет от светодиода, но при этом имеет гораздо большую рабочую площадь и ввиду этого улучшенные характеристики по дальности свечения (рисунок 4).

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%83%D0%Рисунок 4 - Светодиодный прожектор с использованием узкоградусного отражателя. Белые прерывистые лини обозначают поток света, выходящий за рамки рабочей площади отражателя. 

 

Это один из самых эффективных способов построения светодиодных прожекторов, благодаря которому получается необходимое нам насыщенное освещение центра и легкая засветка по краям. Более того – это самый управляемый свет, с достаточно большой рабочей площадью, так же существует возможность вычислить кривизну отражателя и его длину, отталкиваясь от конкретных требований, если существующие на рынке варианты не обладают необходимым КПД.
Точных данных о моделях подвижного состава, где ставятся данные прожектора нет, но такая практика существует.

 

3)    Построение оптической системы по типу проектора.
Итак, переходим к самому главному и распространенному типу светодиодных лобовых прожекторов - прожекторам с оптической системой по типу проектора.

На российском подвижном составе железных дорог используется две модели, первая устанавливалась на первые электровозы  серии ЭП20 и состоит из 8 узкоградусных модулей. Вторая, производства фирмы Pintsch Bamag устанавливается на поезда Ласточка ЭС1, ЭС2Г и состоит из двух больших модулей и тонкой светодиодной полоски сверху, построена на базе янтарно-оранжевых светодиодов (рисунок 5)

 

%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 - Светодиодные прожекторы проекторной системы

 

Принцип построения оптической системы светодиодных прожекторов проекторного типа представлен на рисунке 6.

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%83%D0%Рисунок 6 - Принцип построения оптической системы светодиодных прожекторов проекторного типа.

 

На первый взгляд очень эффективная система, но есть несколько серьезных недостатков:
Первый – данные прожектора имеют «светофорную болезнь». Первоначально по такому принципу строили железнодорожные и автодорожные светофоры. В корпус помещается лампа накаливания и на фокусном расстоянии устанавливается линза Френеля. Таким образом из 360 градусной световой сферы использовалось только 20-30% света, остальная часть просто поглощалась в корпусе (рисунок 7).

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%83%D0%


Рисунок 7 - Схема, иллюстрирующая потери светового потока в корпусе прибора

 

На обоих схемах (рисунки 6 и 7), приведенных выше, белыми прерывистыми линиями показан световой поток, который проходит вне рабочей зоны линзы, то есть не используется.
Вторым важным недостатком является слишком узкий угол и однородная плотность светового пятна. На самом деле - эти две особенности как правило выставляются как положительные стороны, но давайте разберемся, какую видимость мы получаем в ночное время, используя такой прожектор. На рисунке 8, приведена схема предполагаемого эффекта от использования сверхузкоградусного прожектора (1-2 градуса).

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%


 

 

Рисунок 8 - Схема эффекта при использовании сверхузкоградусного светодиодного прожектора.

 

Как видно из рисунка 8 большая часть видимого пространства перед подвижным составом не освещена, свет попадает только в центральную зону, при этом именно благодаря использованию узко градусной линзы границы света и тени достаточно ярко выражены. Данное светотеневое распределение дает очень большую нагрузку на зрение, потому что человеческий глаз ориентируются и адаптируются к яркости на большей части видимого пространства, то есть в нашем случае к полной темноте, следовательно, центральное пятно будет казаться слишком ярким и будет утомлять зрение. Если сказать простым языком, то локомотивная бригада будет все время напряженно вглядываться в яркое пятно вдалеке и по прохождению нескольких часов время реакции распознавания опасности значительно снизится.
Но стоит отметить, что подвижной состав с прожектором на базе сверхузкоградусных линз будет виден на достаточно большом расстоянии.

Однако есть и другой вариант развития событий. Светодиод помещается между линзой и точкой фокусного расстояния, при этом световое пятно значительно расширяется (рисунок 9). Однако, освещенность центральной области падает.

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%Рисунок 9 - Освещение прожектором с размещением светодиодов между линзой и точкой фокусного расстояния.

 

Говоря простым языком, мы имеем ярко освещенное ближнее пространство перед локомотивом и плохо освещенную центральную часть видимого пространства. Человеческий глаз адаптируется к яркости и перестает различать объекты в плохо освещенных местах, то есть дальние участки железнодорожного полотна. По моим наблюдениям, данной характеристикой обладает прожектор, устанавливаемый на электропоездах «Ласточка», а также на последних сериях локомотива ЭП20.
Если подвести итоги, то выясняется, что описанный выше принцип построения скорее делает из прожектора не осветительный прибор, а очень яркий индикатор, позволяющий с очень большого расстояния увидеть приближающийся поезд, при этом для самой локомотивной бригады, данная система освещения не является комфортной.

 

Светодиоды. Эффективность. Мода.
Безусловно, светодиоды – это очень серьезное изобретение нашего времени и настало то время, когда они перешли на следующую ступень развития, перейдя от категории индикаторов к полноценному осветительному прибору. Со всех сторон рапортуют о неслыханной эффективности, об очень низком потреблении энергии, минимальном нагреве и вечном сроке службы. К великому сожалению – это большой миф. На данный момент – это очень выгодное мероприятие, потому что в эти технологии вложены очень большие деньги и это нужно продавать.
Предположим, мы имеем светодиод с очень высокой эффективностью – примерно 150 lm/w. Что достаточно много по сравнению с ксеноновой лампой, где эффективность в среднем 100-135 lm/w. 
А теперь предлагаю рассчитать, что необходимо сделать, чтобы перевести этот свет на дорогу, то есть построить качественный осветительный прибор, в нашем случае – это локомотивный прожектор.
1)    Спроектировать и изготовить плату с металлической основой
2)    Разработать и изготовить мощную систему охлаждения на базе алюминиевых или медных радиаторов
3)    Выбрать оптику, или разработать свою – произвести расчеты и изготовить.
Надо сказать, что оптика – коллиматоры и отражатели известных фирм вряд ли подойдут для данного задания, потому что они рассчитываются как правило для интерьерной подсветки, светильников и тд. Но к этому мы еще вернемся позже.
4)    Так же очень важно разработать стабилизаторы тока, потому что светодиоды очень чувствительны к питанию и для того, чтобы они прослужили долго, нужно держать эти параметры под строгим контролем
Все это нужно как-то вместе соединить, чтобы система противостояла вибрациям. То есть нужно выполнить очень много операций, затратить средства, осуществить сложную сборку мелких деталей.
А что нужно сделать, чтобы собрать лобовой прожектор на базе газоразрядных ламп? Этот процесс сводится по сути к простой сборке элементов на стальной каркас, причем элементов минимальное количество. Лампы, блоки розжига используют более 20 лет во всех отраслях. А главное стоимость относительно светодиодного прожектора в разы ниже. При этом мы получаем гораздо большую освещенность на железнодорожном полотне.
Возникает вопрос, стоит ли конкретно в данной отрасли использовать светодиоды? Так же видно из статей и научных описаний, что ведутся попытки разработки интеллектуального света, по такому же принципу как на автомобилях люкс класса, где существуют светодиодная матрица с разноширокими линзами. Говорится это в контексте создания системы, которая поможет предотвращать ослепление встречного локомотива. Однако авторы статей не обращали внимания на тот факт, что как раз данные, надо сказать безумно дорогие, автомобильные фары как раз очень сильно ослепляют в ночное время и все это благодаря паразитной засветке, от которой очень сложно избавиться в светодиодных оптических системах. Стоит добавить, что в большинстве случаев встречные локомотивы, дабы не ослеплять друг друга, переключаются временно в режим «Тускло».
Большой отпечаток накладывает на разработки ГОСТ. В последнее время организации, занимающиеся данными проектами, все чаще анонсируют светодиодные прожектора со сниженным в 2-3 раза потреблением энергии, но сохранившие показатели госта 960.000кд. Это говорит о том, что разработки ведутся по ложному пути, попытки запихнуть в тонкий луч света все больше и больше яркости, говорит исключительно об использовании сверх узко градусной оптики. И результатом данных разработок будет очень яркий, сверх плотный пучок света с четкими границами, что как мы обсуждали выше – является неприемлемым и сильно осложняет работу локомотивной бригады в ночное время, стоит ли говорить, что такой пучок будет слепить сильнее, нежели нынешние прожектора, а при наличии сильного тумана или плотных осадков сделает его использование невозможным.
Отказываться от светодиодов безусловно не стоит, но стоит изменить отношение к построению лобового прожектора. Речь идет о создании оптики с нуля и скорее всего на базе отражателей неоднородной формы.
 

 

Ксеноновые прожектора
После того, как мы рассмотрели основные виды прожекторов, применяемых на российских локомотивах, стоит рассмотреть еще один. Речь пойдет о ксеноновых прожекторах, то есть о системах на базе газоразрядных ламп.
Данные технологии вовсю применяются в Японии на высокоскоростных поездах (рисунок 10), к слову они совсем не используют светодиодные прожектора. В Европе так же на большом количестве локомотивов и электропоездов установлены именно приборы на ксеноновых лампах.

 

%D0%A0%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%


Рисунок 10 - Ксеноновая система головного света на поезде Синкансен Е5 (Япония).

 

Оптические системы, построенные на базе газоразрядных ламп, имеют неоспоримые преимущества перед остальными.
В первую очередь стоит отметить именно надежность и безотказность. С тех пор как на автомобилях стали штатно устанавливаться ксеноновые фары прошло уже более 20 лет. Данная технология уже отработана и все возможные ошибки, и недочеты давно исправлены. Срок службы газоразрядных ламп не имеет строгих временных ограничений. Производитель указывает, что по истечении срока ~3000 часов лампа потеряет указанную яркость, но будет продолжать работать дальше. То же самое относится и к блокам розжига. Стоит отметить эффективность и КПД. Вся система, затрачивая 35 Ватт при этом выдает до 4800 люмен яркости. Данными показателями не может похвастаться ни одна светодиодная конструкция. И самое главное - это простота построения оптики. Рассчитать и изготовить отражатель или проекторную систему под ксеноновую лампу в наше время не так сложно, ведь по сути принцип расчётов такой же как и для простых ламп с нитью накаливания. Еще одним плюсом является цена, которая значительно ниже чем цены светодиодных конструкций.
Подводя итоги можно сказать, что вопреки большой моде на светодиодные конструкции и не совсем правдивой информации об их эффективности, оптические системы на базе газоразрядных ламп стоит считать самыми эффективными. На российских железных дорогах данные прожектора установлены на скоростных поездах "Сапсан" и "Stadler". В настоящее время ксеноновая система головного света опытно установлена на поезд производства          ООО "Уральские локомотивы" ЭС2ГП (Ласточка-Премиум) для прохождения испытаний.