УСТРОЙСТВО СВЕТОВОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С НЕСМЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА

Изобретение относится к устройствам световой сигнализации транспортных средств, размещаемых снаружи и предназначенных для установки в качестве передних и/или задних многосекционных фонарей, обеспечивающих функции габаритных (контурных) огней, указателей поворота, стоп-сигнала, задних противотуманных огней и задней фары автотранспортных средств и их прицепов.

Известны конструкции внешних сигнальных многосекционных фонарей транспортного средства, состоящие из цельнолитого пластмассового корпуса, ламподержателя с лампами накаливания различной мощности и внешнего рассеивателя, представляющего собой либо сварную конструкцию из отдельных частей различного цвета, либо отдельных рассеивателей, закрепляемых с помощью саморезных винтов в приливах корпуса. Для обеспечения пыле- и влагозащиты между корпусом и рассеивателем предусмотрено резиновое или полимерное уплотнение [1, 2]. Обязательным элементом задних фонарей является светоотражающее приспособление, которое должно быть герметично.

Основным недостатком таких устройств является низкая надежность, обусловленная использованием в качестве источника излучения ламп накаливания, функционирующих в условиях постоянных ударных, вибрационных и электрических нагрузок.

Поскольку световая отдача ламп накаливания не превышает 10-15 лм/Вт, то существует необходимость использования ламп накаливания мощностью 5-21 Вт, что предопределяет как требования эффективного теплоотвода, так и внешние габариты устройства [3, 4]. Это ограничивает запросы дизайнеров и требует применения теплостойких материалов. Поэтому эволюция многосекционных комбинированных фонарей развивалась как в направлении уменьшения потребляемой мощности и повышения надежности, так и в улучшении дизайна [5].

Известны устройства световой сигнализации, в которых наряду с традиционными лампами накаливания используются волоконно-оптические системы [6], в том числе с использованием твердотельных источников света [7], или светодиодные кластеры в ламповом цоколе [8]. Наиболее перспективными являются несменные источники света [9-12], в которых излучателями являются светодиоды. Использование несменных источников света с инжекционными светодиодами и вторичной оптики позволило не только обеспечить вибро- и ударостойкость светотехнического оборудования, но и исключить необходимость сервисного обслуживания. Однако увеличение светоотдачи светодиодов обеспечило не только уменьшение их количества, а следовательно, и увеличение надежности изделий, но и обусловило проблемы визуального восприятия совокупности сверхъярких точечных источников света.

Для обеспечения приемлемой визуализации сигнальных огней и равномерности распределения света в пределах рассеивателя были разработаны сложные катадиоптрические системы, в которых каждый источник света снабжался дополнительным элементом вторичной оптики, формирующей предварительное световое распределение, собираемое внешним рассеивателем для получения двухмерного распределения, удовлетворяющего фотометрическим требованиям нормативной документации [13-17].

Прогресс светодиодных технологий обеспечил световую эффективность светодиодов до значений 100-140 лм/Вт, что позволило получать световые потоки, излучаемые одним кристаллом, до 100-200 лм. В то же время, согласно априорным оценкам, минимальные значения интегрального светового потока, рассчитанные по методу зональной интеграции для сигнальных огней, не превышают 25 лм [18].

Поскольку светодиоды такого типа обычно имеют широкоугольное распределение света со значениями угла излучения на половине интенсивности Θ_1/2, равными 60-70 градусов, то возникает задача эффективного использования светового потока в пределах больших углов распределения и формирования требуемого пространственного распределения для обеспечения фотометрических спецификаций, безопасного уровня яркости излучения [19] и эстетического зрительного восприятия сигнальных огней.

Известна конструкция, состоящая из корпуса, металлической многослойной платы с размещенной на ней электронной схемой, управляющей мощным светодиодом, и внешнего рассеивателя, позволяющая обеспечить одну из функций габаритного огня, стоп-сигнала и указателя поворота [20]. Основным недостатком данной конструкции, взятой за прототип, является малая «оптическая» эффективность преобразования светового потока, испускаемого светодиодом, поскольку излучение в пределах малых углов (0°-30°) практически не используется. Кроме того, недостатком такого устройства является его низкая функциональность, требующая одновременного размещения нескольких таких фонарей на транспортном средстве для обеспечения минимального набора сигнальных функций, например заднего многосекционного фонаря.

Для минимизации оптических потерь и повышения эффективности таких устройств необходима эффективная вторичная оптика, в качестве которой используются либо металлизированные полимерные рефлекторы [21, 22], либо коллимирующие насадки, с помощью которых свет, испускаемый в пределах малых углов светового распределения в результате полного внутреннего отражения, направляется параллельно оптической оси устройства [23-26]. Однако применение металлизированных рефлекторов экономически нецелесообразно, а сложная геометрия коллимирующих линз не обеспечивает необходимую эффективность в силу многократного отражения от фронтальной и тыльной поверхностей.

Наиболее перспективными являются устройства, состоящие из несменного источника света на основе мощного светодиода и драйвера, размещенных на алюминиевой плате, и вторичной оптики, объединенных в единую конструкцию, называемую оптическим элементом или оптическим модулем, обладающую определенной унификацией по функциональному назначению с возможностью последующей установки в различные варианты корпуса изделий [20].

В основу изобретения поставлена задача разработки конструкции технологичного устройства световой сигнализации транспортного средства повышенной надежности, обеспечивающего высокую степень защиты от проникновения воды и пыли, не менее IP67, с малым энергопотреблением, современным оптическим дизайном и комфортным зрительным восприятием.

Технический результат проявляется в унификации конструкции оптического модуля, обладающего высокой эффективностью и надежностью, обеспечивающего возможность реализации светотехнических характеристик сигнальных огней различного функционального назначения, и низкой себестоимостью устройства в целом, поскольку модульная конструкция позволяет изготавливать различные типы устройств с несколькими вариантами комбинации огней.

Поставленная задача достигается тем, что каждый огонь в устройстве световой сигнализации является одиночным или совмещенным, выполненным на основе отдельного унифицированного оптического модуля с несменным источником света на основе мощного светодиода, размещенного для обеспечения эффективного теплоотвода на единой печатной плате, помещенной в герметичный пластмассовый корпус с прозрачным внешним рассеивателем, а требуемое световое распределение для огня соответствующей категории и его визуализация обеспечиваются унифицированным элементом неизображающей вторичной оптики в виде асферической линзы, внешние светоизлучающая и светоотражающая поверхности которой образованы совокупностью поверхностей второго порядка, с линейными размерами, соизмеримыми с линейными размерами оптического модуля.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что на внутренней светоизлучающей поверхности рассеивателя выполнены дополнительные оптические элементы в виде совокупности поверхностей второго порядка для обеспечения требуемых пространственных световых распределений отдельных категорий огней.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что имеет встроенную секцию со светоотражающим приспособлением нетреугольной формы класса IA, размещенную в корпусе под общим прозрачным рассеивателем.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что имеет встроенную секцию со светоотражающим приспособлением треугольной формы IIIA, размещенную в корпусе под общим прозрачным рассеивателем.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что на боковой поверхности корпуса выполнен встроенный боковой габаритный фонарь с модулем несменного источника света и дополнительным светоотражающим приспособлением.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что цветовые характеристики излучения светодиодов в модулях несменных источников света соответствуют колориметрическим спецификациям огней соответствующих категорий.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что несменный источник света оптического модуля состоит из нескольких светодиодов, в том числе с различными световыми распределениями.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что несменный источник света содержит несколько светодиодов с различными цветовыми характеристиками для обеспечения различных колориметрических спецификаций оптического модуля.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что рассеиватель в модуле габаритного фонаря совмещен со светоотражающим приспособлением нетреугольной формы класса IB.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что габаритный и стоп-огни совмещены в одном модуле, с использованием одного несменного источника с различными режимами работы.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что печатная плата изготовлена на подложке из теплопроводящего фольгированного алюминия.

Устройство световой сигнализации транспортного средства, отличающееся тем, что конфигурация размещения модулей несменных источников света на печатной плате выполнена в виде фигуры овальной (круглой) формы или многогранника для обеспечения разнообразия дизайна.

Конструкция предлагаемого устройства световой сигнализации имеет высокую степень защиты (IP67), что позволяет исключить негативное влияние факторов внешней среды и обеспечить не только высокую надежность и временную стабильность фотометрических характеристик в результате применения несменных источников света, но и низкую себестоимость вследствие использования модульной конструкции, что обеспечивает возможность изготовления изделий с различным дизайном и функциональным назначением.

Для лучшего понимания изобретение поясняется чертежами, где

Фиг.1 - общий вид устройства световой сигнализации транспортного средства с несменными источниками света;

Фиг.2 - общий вид оптического модуля с несменным источником света в сборе.

Устройство световой сигнализации транспортного средства (Фиг.1) представляет собой сварную полимерную конструкцию, состоящую из монолитного корпуса 1, разделенного поперечными вставками 2 на отдельные секции, в которых размещены оптические модули (Фиг.2) с несменными источниками света, состоящими из электронной схемы управления с мощными светодиодами 3, установленными на общей для всех модулей унифицированной печатной плате 4, неизображающей вторичной оптики в виде асферической линзы 5 и общего рассеивателя 6. Площадь печатной платы 4 обеспечивает одновременное функционирование всех оптических модулей, однако поскольку отдельные сигнальные огни имеют малые значения коэффициентов дневного использования, то избыточная площадь неиспользуемых модулей позволяет эффективно охлаждать мощные светодиоды 3 в условиях предельных рабочих температур. Плата 4 крепится к внутренней стороне корпуса 1 с помощью саморезных винтов или системы пластмассовых защелок (условно не показаны). Непрозрачные вставки 2 функционально разделяют световые потоки отдельных модулей и крепятся в пазах корпуса 1. Внешняя поверхность общего рассеивателя 6 гладкая, а на его внутренней поверхности могут быть выполнены дополнительные корригирующие оптические элементы 9 в виде совокупности поверхностей второго порядка для обеспечения специальных световых распределений отдельных категорий огней. Асферическая линза 5 плоской нижней поверхностью устанавливается на поверхность платы 4 так, чтобы фасонное коаксиальное установочное самоцентрирующееся углубление сопрягалось со светоизлучающей поверхностью светодиода 3. Для фиксации асферической линзы 5 в корпусе 1 устройства выполнены приливы 7. Герметичный штекерный разъем 8 (Фиг.2) соединяет устройство с бортовой сетью автомобиля и обеспечивает степень защиты IP67. В качестве обязательной опции в конструкции заднего устройства световой сигнализации предусмотрена секция светоотражающего приспособления 10 нетреугольной формы класса IA для автомобилей или треугольной формы 11 класса IIIA для прицепов.

В качестве факультативной опции устройство световой сигнализации имеет боковой габаритный фонарь 12 категории SM1, совмещенный со светоотражающим приспособлением класса IA.

Таким образом, устройство световой сигнализации транспортного средства обеспечивает функции одиночных, комбинированных или совмещенных огней и характеризуется следующими конструктивными признаками:

- конструкция устройства выполнена в едином монолитном корпусе 1 с общей светоизлучающей поверхностью рассеивателя 6, в виде отдельных унифицированных оптических модулей с несменными источниками света на основе мощных светодиодов 3, размещенных на единой унифицированной печатной плате 4;

- требуемое световое распределение и визуализация каждого одиночного или совмещенного огня обеспечивается унифицированным элементом неизображающей вторичной оптики в виде асферической линзы 5, внешние светоизлучающая и светоотражающая поверхности которой образованы совокупностью поверхностей второго порядка, с линейными размерами (диаметром) D, соизмеримыми с линейными размерами оптического модуля L (Фиг.2.);

- для коррекции пространственного светового распределения отдельных типов огней на внутренней светоизлучающей поверхности рассеивателя 6 могут быть выполнены дополнительные оптические элементы 9 в виде совокупности поверхностей второго порядка;

- в корпусе 1 (Фиг.1) под общим прозрачным рассеивателем 6 может быть встроена секция со светоотражающим приспособлением нетреугольной формы класса IA 10 или треугольной формы IIIA 11;

- на боковой поверхности корпуса 1 может быть факультативно встроен боковой габаритный фонарь с несменным источником света и дополнительным светоотражающим приспособлением 12;

- в каждом модуле несменного источника света цветовые характеристики излучения светодиодов 3 определяются колориметрическими спецификациями огней соответствующих категорий;

- несменный источник света оптического модуля может состоять из нескольких светодиодов 3, в том числе с различными световыми распределениями;

- для обеспечения различных колориметрических спецификаций оптического модуля несменный источник света содержит несколько светодиодов 3 с различными цветовыми характеристиками для обеспечения различных колориметрических спецификаций оптического модуля;

- рассеиватель в модуле габаритного фонаря 12 может быть совмещен со светоотражающим приспособлением класса IB;

- габаритный и стоп-огни совмещены в одном модуле согласно позициям 3, 4, 5, с использованием одного несменного источника с различными режимами работы;

- печатная плата может быть изготовлена преимущественно из фольгированного стеклотекстолита типа FR-4 или на подложке из теплопроводящего фольгированного алюминия типа МСРСВ - Metal Core Printed Circuit Board;

- для обеспечения разнообразия дизайна устройства конфигурация корпуса 1 для размещения модулей несменных источников света на печатной плате 4 может быть выполнена в виде фигуры овальной (круглой) формы или многогранника.

Приспособление световой сигнализации функционирует следующим образом.

При подаче напряжения питания от бортовой сети транспортного средства через герметичный штекерный разъем 8 на электронную схему управления устройства и сигнала управления требуемого огня включается светодиод 3 несменного источника света соответствующего оптического модуля, что приводит к излучению света в направлении сферической поверхности коаксиального углубления на нижней поверхности асферической линзы 5. Свет, проходя через асферическую линзу 5 в результате эффектов полного внутреннего отражения и преломления совокупностью поверхностей второго порядка, расположенных на светоизлучающей и светоотражающей поверхностях линзы, образует интегральное двумерное пространственное распределение в соответствии с фотометрическими предписаниями ТНПА для огня данной категории в плоскости, расположенной нормально к оси оптического модуля. Пространственные распределения габаритного огня, стоп-сигнала и указателя поворота, согласно предписаниям ТНПА, совпадают, что позволяет унифицировать вторичную оптику в оптическом модуле, а различие в значениях осевой силы света для огней разных категорий обеспечивается выбором токов инжекции светодиодов. Выбор колориметрических характеристик светодиодов определяется требованиями ТНПА. Для огней других категорий, например задних противотуманных, имеющих иные пространственные распределения силы света, используется корригирующая оптика 9 на внутренней светоизлучающей поверхности рассеивателя 6 или используется специальная асферическая линза с другой конфигурацией поверхностей второго порядка на светоизлучающей и светоотражающей поверхностях. Использование общей платы 4 позволяет обеспечить тепловой режим размещенных на ней светодиодов 3 во всем диапазоне рабочих температур. Унификация вторичной оптики существенно уменьшает себестоимость изделия, а его герметичность определяет высокую долговечность.

Предлагаемое конструктивное решение, по сравнению с прототипом, упрощает задачу по обеспечению устройством световой сигнализации основных функций заднего (переднего) многосекционного фонаря, что определяет его экономическую эффективность и высокую конкурентоспособность.

Как показали испытания опытных образцов, устройство световой сигнализации предлагаемой конструкции обеспечивает требуемые фотометрические и колориметрические характеристики, имеет высокую надежность и энергоэффективность.

Конструкция предлагаемого устройства световой сигнализации имеет высокую степень защиты (IP67), что позволяет исключить негативное влияние факторов внешней среды и обеспечить не только высокую надежность и временную стабильность фотометрических характеристик в результате применения несменных источников света, но и низкую себестоимость вследствие использования модульной конструкции, что дает возможность изготовления изделий с различным дизайном и функциональным назначением.

Промышленное использование предложенного варианта конструкции устройства световой сигнализации ожидается в 2011 г.