Gadesignaler baseret på LED teknik

Transkript

1 Gadesignaler baseret på LED teknik Af Kenneth Kjemtrup,Vejdirektoratet - [email protected] Jørn Vammen,Vejdirektoratet - [email protected] Kai Sørensen, DELTA - [email protected] De traditionelle indsatse til gadesignaler med glødelamper er simple og billige, men har også et elforbrug, der er højt i forhold til nogle LED indsatse, og generelt har de en kort levetid på kun nogle få tusinde timer, der i praksis svarer til mellem ét og tre års brug. Artiklen sammenligner teknikkerne bag de to typer indsatser, omtaler fordele og ulemper, fortolker egenskaberne på baggrund af EN 12368: 2000 Traffic control equipment - Signal heads og omtaler LED indsatse på markedet. Noget om teknikken LED indsatse med lysdioder (LED = Light Emitting Diodes) giver mulighed for elbesparelse og en lang levetid, men har også haft ulemper og blev betragtet som en kuriositet for blot nogle få år tilbage. Der har imidlertid været en kraftig udvikling, nok begrundet i en kraftig udvikling af lysdioderne, som gør, at de anvendes i stigende omfang til nye signalanlæg og ved ombygning og forbedring af eksisterende anlæg. Figur 1 viser princippet i en konventionel indsats med en glødelampe til gadesignaler. Se også fotoet i figur 6A. Oprindeligt blev der benyttet 220 V lamper, men i en periode blev der skiftet til specielle lavvoltlamper på 12 V og 27 W for at opnå en elbesparelse, et reduceret fantomlys og en bedre driftsikkerhed. Lavvoltlampen har en kompakt glødetråd i et kraftigt ophæng. Den omsluttes af en parabol, som retter lyset ind på et frontglas, der har et spredemønster på indersiden i form af sildeben eller andet, som bevirker en tilsigtet spredning af det rettede lys fra parabolen. Frontglasset er indfarvet i indsatsens farve: rød, gul eller grøn. Sommetider, men ikke altid, har en indsats også et fantomgitter indskudt mellem parabol og frontglas. Fantomgitteret tjener til at reducere fantomeffekten, der optræder ved belysning fra en lavtstående sol, og som kan få et signal til lyse, selv om det er slukket. Sommetider benyttes i stedet et fantomkors, som er et krydsformet pladekonstruktion, der udfylder parabolen. En glødelampe lyser, fordi glødetråden opvarmes til en høj temperatur. Lysudsendelsen fra en lysdiode skyldes en anden mekanisme, som illustreres i figur 2. En lysdiode er fremstillet i et halvledermateriale med to lag, p og n, som domineres af hhv. positive og negative elektriske ladninger. Grænselaget mellem de to lag opbygger af sig selv en elektrisk spænding, som forhindrer, at ladningerne passerer mellem de to lag. Denne passage tillades imidlertid, hvis der påtrykkes en lidt større og modsat rettet spænding over elektroderne, og i så fald mødes positive ladninger med negative ladninger og udsletter hinanden. For hver sådan begivenhed dannes der et lyskvant, hvis bølgelængde er karakteristisk for den spænding, der opbygges mellem lagene. Forklaringen viser, at der skal en bestemt minimal spænding til at få en lysdiode til at lyse. Ved lavere spænding sker der ingenting; der løber ingen strøm, og der kommer ingen lys. Hvis spændingen derimod øges over den minimale spænding, vokser strømmen voldsomt, og lysdioden bliver ødelagt. En lysdiode skal derfor fødes med en fastlagt strøm, ikke en fastlagt spænding, hvilket kræver en eller anden form for elektronisk strømforsyning. Forklaringen viser også, at den minimale spænding er karakteristisk for det pågældende halvledermateriale, og at dette bestemmer bølgelængden af det udsendte lys. Reelt sker lysudsendelsen med bølgelængder i et vist bølgelængdeområde, men det er så smalt, at lysfarven fast- lægges som for en næsten ren spektralfarve. En lysdiode i et bestemt halvledermateriale lyser derfor med en bestemt lysfarve. Lysdioder med rød farve har eksisteret i mange år, og gradvist er der udviklet lysdioder med de øvrige spektralfarver, o- range, gul, grøn og til sidst blå. Der er også tilkommet lysdioder med hvidt lys, men det er reelt blå lysdioder med et fluorescerende lag, der omdanner noget af det blå lys til lys af de øvrige farver, så blandingen bliver hvid (som i et lysstofrør). De negative ladninger er overskydende elektroner, mens de positive ladninger er underskydende elektroner såkaldte huller. Når en elektron passerer grænselaget, udveksles der en ladning mellem elektroderne, som er lig med elektronens ladning q på 1,6x10-19 Coulomb, og dermed er der præsteret en energi af den påtrykte spænding V på qxv. Et lyskvant bærer en energi på hxc/λ hvor h er Plancks konstant på 6,626x10-34 J s, c er lysets hastighed på 3x10 Selve 8 m/s og λ er bølgelængden af lyskvantet. lysdioden er lille, brøkdele af en Idet lyskvantet bærer den præsterede energi, millimeter, fås at hxc/λ = og qxv, den skal beskyttes. Derfor indstøbes eller λ = hxc/(qxv) den som = 1,24x10 regel -6 i /V. en plastiklinse sammen med en lille reflektor og med ben til EKSEMPEL: tilledninger, Hvis som spændingen vist i figur over grænselaget er 1,95 V, fås λ = 0, Det er denne enhed, der kaldes en -6 m = 635 nm, hvilket svarer til lys af en rød farve, lysdiode, som anvendes til dioden røde LED kaldes indsatse. en diode mens selve CHIP. Lysudsendelsen fra en lysdiode er omtrent proportional med den strøm, den fødes med, men der er grænser for, hvor stor en strøm, en diode kan tåle. Typisk anvendes der 20 ma, og da spændingen kun er nogle få Volt, er den optagne effekt en lille brøkdel af en Watt. Lysudsendelsen fra en DANSK VEJTIDSSKRIFT

2 Figur 1. Princippet i en konventionel indsats: a: parabol, b: frontglas med spredemønster, c: fantomgitter. typisk lysdiode er så lille, at der skal bruges et antal af dem i en LED indsats. Figur 4 viser én mulig opbygning af en LED indsats. Se også fotos i figur 6 B og C. En lysdiodes reflektor og linse retter lyset ind i en forholdsvis smal kegle. Et antal lysdioder er anbragt på et printkort, så de belyser et frontglas med spredemønstre, som bevirker en tilsigtet spredning af det udsendte lys. Opbygningen er mekanisk set simpel (men ikke elektrisk set), og den tillader lille dybde. Det kan være en ulempe, hvis et stort antal lysdioder sidder rimeligt frit for belysning fra en lavtstående sol. Hver lysdiode har pga. sin linse og reflektor en vis fantomeffekt og et stort antal kan give en stor samlet effekt. Det hjælper, hvis frontglasset er indfarvet i signalets farve, da reflekteret belysning passerer frontglasset to gange og svækkes ved hver passage. Denne diskussion af lysdioder og LED indsatse er ikke udtømmende, da der findes et stort antal af forskellige typer lysdioder, bl.a. med væsentligt højere effekt, og flere måder at benytte dem på i LED indsatse. Desuden sker der stadig en kraftig udvikling af lysdioder, som må forventes fortsat at føre til fremkomst af nye typer LED indsatse, som er billigere, bedre eller anderledes. Det er f.eks. tænkeligt at der vil fremkomme lysdioder, som vil kunne anvendes til direkte afløsning af glødelampen i en konventionel indsats. Sammenstilling af konventionelle indsatse og LED indsatse Den traditionelle indsats til gadesignaler er simpel, billig og har nogle gode egenskaber. F.eks. kan lysstyrken reguleres og er ikke påvirkelig af omgivelsernes temperatur, og det er nemt at lade signalanlæggets styreapparat detektere svigt af glødelampen. Ulemperne er et forholdsvist højt elforbrug og en levetid af glødelampen på kun nogle få tusinde timer, som nødvendiggør et beredskab til udskiftning. Det er på den baggrund at LED indsatse begyndte at dukke op for år siden. LED indsatse kan monteres i eksisterende gadesignaler forudsat at signalanlæggets styreapparat kan omstilles eller i nye signalanlæg. Potentielt set har LED indsatse nogle fordele frem for konventionelle indsatse, men man kan ikke tage for givet, at de faktisk udnyttes i alle tilfælde. Potentielt kan der spares effekt i forhold til de 27 W, som bruges af en konventionel indsats med glødelampe. I praksis spares der ofte ved, at glødelamperne drives ved en reduceret spænding på f.eks. 10,4 V, hvorved levetiden forlænges, og effektforbruget reduceres til ca. 20 W. En eventuel yderligere besparelse ved brug af LED indsatse skyldes, at glødelampens lys opnår den ønskede lysfarve ved passage gennem det indfarvede frontglas, hvor de øvrige farver absorberes, så tabet er stort. Lysdioder har ikke nogen høj effektivitet, men producerer lys af den ønskede farve direkte, så tabet i frontglasset er væsentligt mindre (hvad enten det er indfarvet eller ikke). Der findes LED indsatse, hvis effektforbrug er ned til 6-10 W, men også indsatse, som ikke fører til nogen væsentlig effektbesparelse. Levetiden af en lysdiode er potentielt set meget lang, på mange tusinde timer. Hvis strømmen forøges, for at skaffe mere lys eller for at spare på antallet af lysdioder, reduceres levetiden imidlertid kraftigt. Desuden er det normalt at serieforbinde et antal dioder for at forenkle strømforsyningen, hvorved svigt af én diode bringer hele antallet ud af funktion (som i en juletræskæde). I øvrigt bør en LED indsats udformes, så lysdioderne ikke bliver for varme, da det nedsætter både lysudsendelse og levetid. Det forhold, at LED indsatse kan gives mindre dybde end konventionelle indsatse, har nogle formgivningsmæssige fordele, som dog ikke udnyttes ved indsættelse i eksisterende huse. I de første typer LED indsatse blev der anvendt et stort antal lysdioder i den opbygning, der er vist i figur 4, så fantomeffekten var kraftig. Problemet synes at være løst i nogle typer LED indsatse, men nok ikke alle, måske fordi antallet af lysdioder er reduceret, eller fordi der bruges andre optiske metoder. Det er en ulempe, at LED indsatse er væsentligt dyrere end traditionelle indsatse. Gadesignalernes lystekniske funktion og lystekniske krav i EN De lystekniske krav i EN Traffic control equipment - Signal heads angår dets: lysudsendelse fantomsignal lysfarve fordeling af lysudsendelsen over frontglasset. Figur 2. Principskitse af en lysdiode. Lysudsendelse fra et gadesignal beskrives ved dets lysfordeling, som angiver signalets lysudsendelse i en række retninger i forhold til signalets referenceretning. Referenceretningen peger vandret, når signalet er monteret normalt, og i forhold hertil fastlægges en retning ved dens vertikale vinkel (op/ned, i praksis ned) og dens horisontale vinkel (højre/venstre). Retningerne og kravene til lysudsendelse for de enkelte retninger beskriver tilsammen lysfordelingens bredde, som EN opdeler i typerne (Type) E, W, M og N, der står for hhv. ekstra bred, bred, middel og smal. Lysudsendelsen i en retning måles ved lysstyrken, som skal være tilstrækkelig til, at signalet er iøjnefaldende. De enkelte retninger svarer typisk til større eller mindre afstand til trafikanterne, og da behovet for lysstyrke er større for stor end for lille afstand, har lysfordelingerne varierende lysstyrker. Lysstyrke (måles i candela, skrives cd) udtrykker, hvor stor en belysningsstyrke (måles i lux, skrives lx), der kan fremkaldes på én meter afstand. Indtrykket af et signal modsvares omtrent af den belysningsstyrke, det fremkalder ved betragteren. Afstandsloven for belysning siger, at belysningsstyrken aftager med kvadratet på afstanden, så der i en retning svarende til stor afstand kræves væsentligt højere lysstyrke end i en retning svarende til lille afstand. Niveauet for lysudsendelse fastlægges ved en minimal lysstyrke i referenceretningen. EN fastlægger tre sådanne niveauer, der betegnes funktionsniveau (Performance Level) 1, 2 og 3. Niveauet for lysudsendelse i de øvrige retninger angives ved en procentisk værdi for hver retning, hvor værdien angiver minimum lysstyrke i retningen som procentdel af lysstyrken i referenceretningen. Samtidig må lysstyrkerne ikke være så høje, at et signal blænder for kraftigt. Hertil fastlægger EN tre niveauer for DANSK VEJTIDSSKRIFT 33

3 Tabel 1. Krav til lysstyrker for bred fordeling (type W) i henhold til EN Figur 3. Hyppigt anvendt opbygning af en lysdiode. Tabel 2. Leverandører af LED indsatse. maksimal lysstyrke i referenceretningen, som betegnes klasse (Class) 1 og 2. Desuden er der to metoder at benytte de ovennævnte procentdele på, enten som procentdel af den krævede minimale lysstyrke i referenceretningen, eller som procentdel af den faktiske lysstyrke i referenceretningen. De to metoder betegnes som kategori (Category) A og B. NB: Det havde været tilstrækkeligt med én af de ovennævnte kategorier, men der var ikke enighed i den pågældende arbejdsgruppe, så de blev indført begge to. At kræve kategori A i stedet for B svarer til at kræve ekstra bredde i lysfordelingen. Det fremgår af det ovenstående, at EN s klasser er rodede, idet der er fire klassifikationer blandet ind i hinanden. Tabel 1 viser mulighederne for bred lysfordeling med fremhævelse af visse klasser og værdier. Fantomlys i et signal betyder, at signalet tilsyneladende lyser pga. refleksion af belysningen fra en lavtstående sol. Fantomlyset bør ikke være så kraftigt, at trafikanterne tror, at et signal er tændt, selv om det reelt er slukket. Det er især uheldigt, hvis fantomlys i et grønt signal forleder en trafikant til at køre frem i utide. Fantomlyset måles ved lysstyrken af det reflekterede lys i hovedretningen, når signalet belyses med lx fra en sol i en position i 10 over referenceretningen. Fantomlyset skal måles uden brug af skygge på signalet, så hele frontglasset belyses. EN beskriver fantomlysbegrænsning ved forholdet mellem signalets egen lysstyrke i referenceretningen og lysstyrken fra fantomlyset. Forholdet er omfattet af 5 klasser, med stigende krav til dette forhold. Som et eksempel angiver klasse 3, at forholdet skal være mindst 4 for rødt og gult, og mindst 8 for grønt. Det betyder, at selv med fantomeffekt lyser et grønt signal mindst otte gange så kraftigt, når det er tændt, end når det er slukket. Hertil bemærkes, at den lysstrøm, som rammer frontglasset, er væsentligt større end den lysstrøm, der udsendes af signalets lyskilde(r). Da lysstyrken fra fantomlyset samtidig skal begrænses til en brøkdel af signalets eget lysstyrke, er det klart, at signalet må have en effektiv undertrykkelse af fantomlyset. For konventionelle indsatse sker det som omtalt ovenfor ved brug af fantomgitre eller -kors. LED indsatse må bl.a. have sorte flader omkring lysdioderne. Figur 4. En mulig opbygning af en LED indsats: a: printplade med lysdioder, b: frontglas med spredemønster. Lysstrøm (måles i lumen, skrives lm) angiver den samlede mængde af lys, som udsendes fra en lyskilde eller falder ind på en flade. Den lavvolt glødelampe på 27 W, der anvendes til konventionelle indsatse, udsender ca. 300 lm, lysdioderne i en LED indsats udsender væsentligt mindre. Et 200 mm frontglas med en belysning på lx rammes af en lysstrøm på ca lm. Lysfarven af et signal angives ved lysets farvekoordinater (x, y) i CIE s farvetrekant. EN har tilladte områder for farverne rød, gul og grøn. Lysfarven skal være korrekt selv med fantomlys under de ovennævnte forhold (bortset fra en evt. refleksion i frontglassets yderside). For LED indsatses vedkommende op- Figur 5. Et gadesignal skal have forskellige lysstyrker i forskellige retninger: a: en højtliggende retning peger mod lang afstand og skal have høj lysstyrke, b: en lavereliggende retning peger mod kortere afstand og kan have lavere lysstyrke DANSK VEJTIDSSKRIFT

4 fyldes kravene til lysfarve i praksis ved brug af lysdioder med korrekte lysfarver. Kravet om, at lysfarven også skal være korrekt i fantomlyssituationen, medfører reelt, at frontglasset skal være indfarvet i signalets farve, da et ufarvet frontglas næsten uundgåeligt har ufarvede refleksioner, som forrykker farverne mod hvid. Det gælder for både konventionelle indsatse og LED indsatse. Fordeling af lysudsendelsen over frontglasset er en beskrivelse af, om frontglasset lyser mere eller mindre jævnt. EN stiller krav om en vis jævnhed, men kun for referenceretningen, og kun målt på en grov måde. LED indsatse kan udmærket vise variationer i form af striber eller andet uden være i modstrid med kravet om jævnhed. Brug af EN s klasser Vejdirektoratet anvender den klasse for lysudsendelse, som angives ved W og A 2/1, hvilket betyder, at lysfordelingen skal være bred, at bredden skal måles ved metoden i kategori A, og i øvrigt med en minimum lysstyrke som angivet ved funktionsniveau 2, og en maksimum lysstyrke som angivet ved klasse 1. De pågældende klasser og de tilhørende værdier er fremhævede i tabel 1. Desuden anvendes klasse 3 for fantomlysbegrænsning. Der findes ikke anbefalinger om valg af klasser i vejregler for gadesignaler, men de ovennævnte klasser tænkes brugt som udgangspunkt for en udbygning af reglerne på det punkt. Det forhold, at der peges på den brede fordeling W, afspejler, at der som regel ikke sker noget konkret valg af indsatse på baggrund af deres anvendelse. Nogle få typer anvendes næsten overalt uden skelnen mellem deres konkrete lysfordelinger. En sådan fremgangsmåde forudsætter, at indsatsene har en bred lysfordeling, så de i forskellige situationer dækker de konkrete trafikarealer. Kun for kryds på veje med høj hastighed har der været en vis tradition for at supplere med højt placerede signaler med smallere lysfordeling og kraftige lysstyrker. Det forhold, at bredden måles ved kategori A, afspejler ikke noget grundlæggende valg, sådan som anført ovenfor. Funktionsniveau 2 medfører et krav om, at lysstyrken i referenceretningen skal være minimum 200 cd. En sådan lysstyrke kan opfattes som et kompromis mellem dag- og natsituationen, idet lyset vil tendere til at være lidt svagt i dagslys, og til at være blændende om natten (det er den typiske lysstyrke, som ses fra lygterne på modkørende biler). Kompromiset afspejler, at der ikke traditionelt anvendes natsænkning, sådan som det sker i vidt omfang i bl.a. Tyskland. Klasse 1 betyder, at lysstyrken i referenceretningen kan være op til 800 cd. En sådan lysstyrke tenderer absolut til at være blændende om natten, hvilket understreger, at natsænkning måske er en god idé især hvis der anvendes for kraftige signallanterner i lav højde. Om dagen hjælper det noget, at der altid findes flere signaler i hver retning, og om natten at signalregulerede kryds altid har vejbelysning (der er en norm herom i vejbelysningsreglerne). Alligevel kunne det måske være relevant at benytte natsænkning i større omfang, og det sker da også enkelte steder. LED indsatse skal være forberedt til natsænkning, som ikke kan påtrykkes udefra ved spændingsregulering, og som ikke ville reducere effektforbruget. Klasse 3 for fantomlysbegrænsning svarer omtrent til dagens teknik for LED indsatse, selvom nogle allerede kan leve op til en endnu kraftigere begrænsning. I gadebilledet ses der mange traditionelle lavvolt indsatse uden fantomgitter eller -kors. Det kan skyldes, at mekanismerne er irriterende ved lyskildeskift og efterhånden forsvinder. For en LED indsats er der ikke et sådant valg, idet fantomlysbegrænsning er integreret i selve indsatsen. En LED indsats, der skal kunne anvendes i mange situationer, må derfor have fantomlysbegrænsning. LED indsatse på markedet Selv om EN blev udarbejdet uden særlig diskussion af LED indsatse, anvendes den i almindelighed af producenter af disse indsatse, og klasserne angives i katalogmateriale. Desuden gives der oplysninger om effektforbrug og natsænkning med videre. Andre forhold, som reel levetid i betragtning af diodernes driftsforhold og seriekobling, støj på netforsyningen, varmeforhold mv., gives der ikke oplysninger om. DELTA har foretaget lystekniske målin- ger af nogle få LED indsatse og fundet overensstemmelse med leverandørernes oplysninger. Desuden er der fremskaffet oplysninger om typer på markedet og forhandlere. Vejdirektoratet (ved Jørn Vammen) har forestået en undersøgelse af indsatsenes øvrige forhold. Typerne på markedet synes at stamme fra store producenter med tilstrækkelige ressourcer til udvikling, og i det mindste nogle af typerne kan opfylde de danske klasser i EN med et væsentligt lavere elforbrug end traditionelle indsatse, og uden at der er mangler ved funktionen i øvrigt. Specielt er det lykkedes at opnå en stærk begrænsning af fantomsignalet, nok fordi antallet af lysdioder kan holdes lavt. I det store og hele bekræftes, at LED teknikken er eller er ved at blive, tilstrækkelig moden og nok endda med en lysteknisk funktion, der er overlegen i forhold til den traditionelle teknik. Der vil dog nok stadig fremkomme nye typer med korte mellemrum, fordi lysdioder stadig er i rivende udvikling, og med forskellige egenskaber, så markedet vil indtil videre forsat være vanskeligt at overskue. Trafikanterne må vænne sig til et hurtigere skift mellem tændt og slukket, sommetider ledsaget af en blitzeffekt (kortvarig overstyring af lysstyrken) og til et lidt anderledes udseende af gadesignalerne med regelmæssige spredemønstre i frontglasset i stedet for det sædvanlige sildebensmønster og sommetider en anderledes form. Figur 6 til 8 viser nogle af typerne i praktisk brug. En oversigt over produkter på markedet ville kun give et øjebliksbillede, og undlades derfor. Forfatterne er dog villige til at afgive nærmere oplysninger på forespørgsel. I tabel 2 findes der en oversigt over danske leverandører. Desuden kunne følgende checkliste være til nytte ved stillingtagen til anvendelse af en given LED indsats: Figur 6. Eksempler på signallanterner. De traditionelle indsatse har glas med sildebensmønster, bemærk skyggerne fra fantomkors bag glassene. LED indsatsene har glas med spredelinser, som i B er næsten plant og hælder fremover (for at undgå spejlinger fra himmel og sol) og i C er hvælvet DANSK VEJTIDSSKRIFT 35

5 Figur 7. Signalanlæg med LED indsatse på Frederikssundsvejen ved Ølstykke. De højt placerede signallanterner har indsatse med større lysstyrke end de lavt placerede. sammenhold de klasser i henhold til EN 12368, som angives af leverandøren, med de klasser, som anvendes af Vejdirektoratet vurder om den lystekniske funktion sva- Figur 8. Signalanlæg med LED indsatse ved Lyngby Storcenter. De røde og gule indsatse har lidt svært ved at gøre sig gældende i solen. rer til de angivne klasser og behov. Det vil sige, om indsatsens lys er rimeligt kraftigt og desuden dækker så bredt og lavt, som den aktuelle placering kræver vurder om fodgænger- og især pilsymboler svarer til tegningerne i bekendtgørelsen kontroller at indsatsen har indfarvet frontglas et ufarvet glas fører normalt til et kraftigt fantomlys bed om at få oplyst forhold vedrørende reel levetid og garanti levetiden reduceres betydeligt, når dioderne belastes hårdt, og hvis store antal seriekobles, ligesom eventuel natsænkning kan give problemer bed om at få oplyst reelt effektforbrug det vil sige med indsatsen monteret i anlægget inklusive eventuel ekstra lampekontrol etc. i styreapparatet DANSK VEJTIDSSKRIFT