Основы сигнальной светотехники

В общем случае видимость сигналов цвета определяется как субъективными факторами (способностью человеческого глаза опознавать цвет), так и объективными (состоянием атмосферы, контрастностью и др.). Дальность видимости сигнала цвета определяется по формуле:

L=10^{3 ,} (1.1)

где, I_c – сила света сигнала, кд;

τ – коэффициент пропускания атмосферы на 1 км;

е – освещённость на зрачке, лк.

Так как в приведённой формуле L входит под знак радикала, то определение дальности расчётом затруднено. Поэтому предварительно составляются различного рода таблицы и номограммы. Проанализируем подкоренное выражение в приведённой формуле.

Сила света необходимой величины достигается применением ламп определённой мощности и специальной конструкцией сигнальной оптики. При этом сигнальная оптика не только должна обеспечивать нужное усиление светового потока (т.е. иметь определённый коэффициент усиления К_у), но и концентрировать световой поток в требуемом направлении, а также исключать ложный сигнал за счёт отражения от оптики солнечных лучей.

Состояние атмосферы может повлиять на чёткость восприятия сигнального цвета в случае потери его прозрачности. Уменьшение τ вызывает перераспределение волн в световом потоке таким образом, что зелёный огонь воспринимается как жёлтый, а жёлтый как зелёный. Лишь красный огонь оказывается наиболее устойчивым к изменениям прозрачности атмосферы.

Освещённость на зрачке глаза, как установлено опытами ВНИИЖТа, вызывает различные ощущения в зависимости от цвета. Так, для красного цвета минимальная пороговая освещённость на зрачке глаза днём составляет 600∙10^-6 лк, для зелёного – 900∙10^-6, для белого – 2000∙10^-6 лк.

С точки зрения контрастности сигнальных цветов по отношению к окружающему фону в наиболее неблагоприятном положении оказываются зелёный и желтый цвета, а наиболее контрастен – красный цвет.

Таким образом, по сумме влияющих факторов наиболее восприимчив и устойчив красный цвет. Поэтому он выбран в качестве запре­щающего всякое движение. Далее разрешающим признан жёл­тый и разрешающим абсолютно – зелёный. Красный, жёлтый и зелё­ный составляют сигнальные цвета. Для маневровых передвижений в ка­чес­тве запрещающего выбран синий, разрешающего – белый цвет.

Требуемая окраска светового потока достигается за счёт цветных светофильтров. К качеству их изготовления предъявляются повышен­ные требования. На заводе-изготовителе цветность светофильтров опре­де­ляется путём измерения их колориметром. В основу измерения поло­жена трёхкоординатная теория получения цвета (R – красный, G – зелёный, В – синий).

Источник света, распространяющий световой поток во все стороны пространства с одинаковой силой, применять нерационально, так как подавляющая часть потока будет затрачиваться бесполезно и мощность ламп светофоров будет недопустимо большой. Во избежание этого применяют оптические системы, концентрирующие часть светового потока, что значительно увеличивает силу света в требуемом направлении.

Коэффициент усиления оптики:

К_у = , (1.2)

где I₂ – сила света пучка, вышедшего из оптики;

I₁ – сила света, падающего от источника света.

От свойств и размеров оптической системы коэффициент усиления зависит следующим образом:

К_у = k = k , (1.3.)

где k – коэффициент потерь в стекле;

ω₁ – телесный угол охвата;

ω₂ – телесный угол рассеивания;

α – плоский угол, соответствующий телесному углу охвата;

β – плоский угол, соответствующий телесному углу рассеи­ва­ния.

К_у = k , (1.4.)

где D – диаметр линзы,

d – диаметр источника света.

Для светофоров можно применять только те оптические системы, которые имеют возможно более высокий коэффициент усиления и не имеют возможность ложного восприятия сигнала вследствие отражения.

Рассмотрим возможные варианты оформления сигнальной оптики. Преломляющий тип оптики (рис. 1.4) не может дать большого коэф­­фи­ци­ента усиления К_у, так как имеет небольшой угол охвата. Ложное восприя­тие сигнала с линзовой оптикой маловероятно, так как источником лож­ного отраженного сигнала может служить только стеклянная по­верх­ность баллона электрической лампочки, от которой возможно от­ра­жение лучей, попавших внутрь головки светофора извне, но сила света их при линзовой оптике будет очень мала.

Рис. 1.4. Преломляющий (линзовый) тип оптики

Для того, чтобы свести к минимуму влияние отраженных лучей света стеклянный баллон лампочки стремятся сделать как можно мень­ше, внутреннюю часть сигнальной головки светофора окраши­вают в черный цвет, а с внешней стороны головки навешивают за­щит­ный козырек. Поэтому считается, что линзовая оптика является без­опасной в отношении ложного сигнала.

Отражательный тип оптики (рис. 1.5) позволяет получать бóльшие уг­лы охвата и, следовательно, более высокий коэффициент усиления. Одна­ко высокая отражательная способность параболического зеркала при­водит к возникновению ложного сигнала вследствие отражения сол­нечных лучей или направленных пучков света, например, от локо­мо­тивного прожектора. По этой причине от применения отра­жа­тель­ной оптики в светофорах железнодорожного транспорта отказались.

Рис. 1.5. Отражательный тип оптики

В прожекторном светофоре применяется смешанная оптика – от­ра­­­жательная и преломляющая (рис. 1.6), в которой вследствие при­­ме­нения эллипсоидного отражателя свет от источника, поме­щен­но­­го в первом фокусе, собирается во втором фокусе. В месте второго фо­куса располагают цветные светофильтры. Размер таких фильтров обыч­­но меньше размеров светофильтров преломляющей оптики, и по­этому можно осуществлять автоматическую смену положения све­то­­фильтров при смене сигнальных показаний светофора. Этим дости­га­ется возможность подачи нескольких сигнальных показаний от од­ной оптической системы. Появление ложных сигналов исключено, так как отраженный луч от постороннего источника света будет всег­да окрашен в тот же цвет, что и основной. Наличие отражателя позво­ля­ет получать большой угол охвата и, следовательно, большой коэф­фициент усиления. Однако, сложная конструкция таких светофоров сни­жает эффективность их исполь­зования.

Рис. 1.6. Прожекторный тип оптики

На отечественных железных дорогах в основном применяются светофоры с линзовой оптикой, реже – с прожекторной.

Нормально световой пучок, выходя из линзы светофора, расхо­дит­ся постепенно, а так как вблизи светофора он остается ещё доста­то­ч­но узким, то на близком расстоянии от светофора (около 10 м) его по­­ка­зание может быть невидимым для машиниста. Для обеспечения ви­­ди­мости показаний светофора вблизи него применяют установку от­­кло­няющих вставок, представляющих собой круглую пластинку про­­з­рачного стекла, имеющую зубчатые бороздки. Вставка устанав­ли­­вается в линзовом комплекте так, чтобы она отклоняла лучи, пада­ю­­щие на центральную зону линзы, довольно круто (под углом 30º) вниз и в сторону сигнализируемого пути. Благодаря этому откло­не­нию получается видимость показаний светофора и в непосред­ствен­ной близости около него (около 10 м). Отклоняющая вставка поме­ща­ет­­ся в центре между передней и задней линзами, удерживаясь в этом поло­жении при помощи спиральной пружины, упирающейся в зад­нюю линзу.

В последнее время в эксплуатацию поступают светофоры мо­за­ич­ного типа. В таких светофорах в качестве источника сигнала ис­­поль­­зуется поверхность, набранная в виде мозаики из светодиодов. Каж­­дая поверхность излучает световой поток в виде основных сиг­наль­ных цветов. Интенсивность такого излучения зависит от типа при­меняемых светодиодов и вполне соизмерима с интенсивностью излу­чения светофоров с оптическими системами. Достоинством тако­го типа светофоров является простота конструкции, а следовательно, вы­со­кая надежность, низкое энергопотребление, простота эксплу­а­та­ции. Срок их службы в десятки раз выше аналогичных комплектов на лам­пах накаливания. Кроме того, выход из строя отдельных свето­диодов мозаики не вле­чет за собой отказа светофора в целом. Приме­не­ние светодиодов исключает ложные показания светофоров за счет отражения солнечных лучей. К недостаткам следует отне­сти сравни­тель­но высокую стоимость изготовления.