Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická. Autoreferát

Z´apadoˇcesk´a univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnick´a

´t Autorefera ˇn´ı pra ´ ce Disertac

Ing. Jiˇr´ı Poucha

Plzeˇ n, 2014

Z´apadoˇcesk´a univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnick´a Katedra aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı

´t Autorefera ˇn´ı pra ´ ce disertac ´ n´ı akademicke ´ho titulu doktor k z´ıska v oboru Elektronika N´avrh bezpeˇcn´eho dohl´ıˇzec´ıho obvodu n´avˇestn´ıch svˇetel se sv´ıtiv´ymi diodami Ing. Jiˇr´ı Poucha

ˇskolitel: Doc. Ing. Ivan Koneˇcn´ y, CSc. st´atn´ı doktorsk´a zkouˇska: 31. ˇr´ıjna 2012 odevzd´an´ı pr´ace: 1. z´aˇr´ı 2014

Plzeˇ n, 2014

Disertaˇcn´ı pr´ ace byla vypracov´ ana v kombinovan´em doktorsk´em studiu na Katedˇre aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı Fakulty elektrotechnick´e Z´apadoˇcesk´e univerzity v Plzni. Uchazeˇc: Jiˇr´ı Poucha Katedra aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı Fakulta elektrotechnick´ a Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni Univerzitn´ı 26, 306 14 Plzeˇ n ˇ Skolitel: Doc. Ing. Ivan Koneˇcn´ y, CSc. Katedra aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı Fakulta elektrotechnick´ a Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni Univerzitn´ı 26, 306 14 Plzeˇ n Oponenti: 1. 2. 3. Autorefer´ at byl rozesl´ an dne: Obhajoba disertaˇcn´ı pr´ ace se kon´ a dne: pˇred komis´ı v oboru Elektronika na Fakultˇe elektrotechnick´e Z´apadoˇcesk´e univerzity v Plzni, Univerzitn´ı 26, Plzeˇ n v zasedac´ı m´ıstnosti ˇc.

v

hodin

S disertaˇcn´ı prac´ı je moˇzno se sezn´ amit na oddˇelen´ı vˇedeck´e v´ ychovy FEL ˇ v Plzni, Univerzitn´ı 26, EU202. ZCU Prof. Ing. V´aclav K˚ us, CSc. pˇredseda

Prohl´ aˇ sen´ı Pˇredkl´ ad´ am t´ımto disertaˇcn´ı pr´ aci zpracovanou v r´amci doktorsk´eho studia na Katedˇre aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı Elektrotechnick´e fakulty Z´ apadoˇcesk´e univerzity v Plzni k posouzen´ı a obhajobˇe. Prohlaˇsuji, ˇze jsem pr´ aci vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım zdroj˚ u, uveden´ ych v seznamu literatury a ˇze jsem postupoval podle obecn´ ych z´asad vˇedeck´e pr´ ace. V Plzni, 1.z´ aˇr´ı 2014 Jiˇr´ı Poucha

v

Anotace T´ematem pr´ ace je n´ avrh bezpeˇcn´eho dohledu sv´ıtiv´ ych diod pro ˇzelezniˇcn´ı svˇeteln´ a n´ avˇestidla, s vyuˇzit´ım fotovoltaick´eho jevu, kter´ y vykazuj´ı i LED, aˇckoli nejsou konstruov´ any pro detekci svˇetla. Pr´ aceanalyzuje v souˇcasnosti pouˇz´ıvan´e principy pro bezpeˇcn´ y dohled sv´ıcen´ı LED, zaloˇzen´e na sledov´an´ı voltamp´erov´ ych charakteristik a jejich vyuˇzit´ı v redundantn´ım syst´emu. D´ale je diskutov´ ana problematika n´ ahrady ˇz´ arovek sv´ıtiv´ ymi diodami v klasick´ ych n´ avˇestidlech.

Abstract This dissertation introduces the basic principles of fail-safe monitoring of light emitting diodes in railway signaling applications. The monitoring uses photoelectric effect, which can be observed on the light emitting diodes, although it is not considered commonly, that they should be used as a light detecting device. This dissertation also summarizes some used principles of fail-safe monitoring of light emitting diodes, based on current-voltage characteristic measurement and its use in redundant system. The main part shows principles of LEDs’ monitoring based on the photoelectric effect and then the the replacement of light bulbs with LEDs in classic signals is discussed.

vi

vii

Obsah ´ 1 Uvod

1

2 C´ıl pr´ ace 2.1 Vlastn´ı c´ıl pr´ ace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Pracovn´ı hypot´ezy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2

3 Teoretick´ a v´ ychodiska a souˇ casn´ y stav problematiky 3.1 Technick´e a legislativn´ı poˇzadavky na n´ avˇestidla . . . 3.2 Sv´ıtiv´e diody, jejich funkce a poruchy . . . . . . . . . . 3.3 Fotoelektrick´ y jev ve sv´ıtiv´ ych diod´ ach . . . . . . . . . ˇ 3.4 Zelezniˇ cn´ı svˇeteln´ a n´ avˇestidla se sv´ıtiv´ ymi diodami . .

4 4 4 4 5

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

4 Porovn´ an´ı sv´ıtivosti sv´ıtiv´ ych diod a ˇ z´ arovky

5

5 Kontrola pomoc´ı fotoelektrick´ eho jevu 5.1 Pˇrenos svˇetla mezi sv´ıt´ıc´ı a detekuj´ıc´ı diodou . . . . . . . . . . 5.2 Rozbor vlastnost´ı mˇeˇriteln´ ych veliˇcin spjat´ ych s fotoelektrick´ ym jevem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Fotoproud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Fotovoltaick´e napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ nab´ıjen´ı kapacity pˇrechodu fotoproudem . . . . . . 5.2.3 Cas 5.3 transimpedanˇcn´ı pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Ruˇsiv´e vlivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Ciz´ı osvˇetlen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Degradace sv´ıtiv´ ych diod . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Dif´ uze dopant˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Poruchy nap´ ajec´ıho mˇeniˇce . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5 N´ avˇestn´ı fantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 8 9 9 11 13 14 14 15 16 20 22

6 Z´ avˇ er 6.1 Vlastn´ı pˇr´ınos disertaˇcn´ı pr´ ace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Doporuˇcen´ı pro pˇr´ıpadn´ y dalˇs´ı postup v b´ ad´an´ı . . . . . . . . . 6.3 Shrnut´ı podstatn´ ych v´ ysledk˚ u b´ ad´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . .

22 22 23 23

7 Publikace a dalˇ s´ı odborn´ aˇ cinnost autora 7.1 Seznam publikovan´ ych prac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Dalˇs´ı ˇcinnost autora v oblasti elektrotechniky . . . . . . . . . .

23 23 24

Resum´ e

25

Resume

26

viii

Seznam zkratek a symbol˚ u Afantom Cj d Dn,p Dpar EC EF ET EV F f h IF Ifvrel Irel IFfrel IFnom Ifv IS k n NA,D ni r Rcv Rdis rmax Rn´ahrady Rˇz´arovky

zes´ılen´ı fantomn´ıho odrazu po v´ ymˇenˇe ˇz´arovky za n´ahradu. Kapacita pˇrechodu p-n. pr˚ umˇer (diametr). Dif´ uzn´ı rychlost elektron˚ u a dˇer v polovodiˇci. Paraleln´ı parazitn´ı dioda. Energie vodivostn´ıho p´ asu. Energie Fermiho hladiny Energie pasti (trap). Energie valeˇcn´ıho p´ asu. Ohnisko. Frekvence. V´ yˇska nebo Planckova konstanta (asi 6,63×10−34 J.s) Pˇredn´ı proud diodou, vˇetˇsinou pˇredn´ı proud diodou opaˇcn´eho kan´ alu, kter´ a pr´ avˇe sv´ıt´ı. Relativn´ı fotoproud, pomˇer fotoproudu nov´e a degradovan´e diody pˇri konstantn´ım osvˇetlen´ı. Pomˇern´ a (relativn´ı) sv´ıtivost. Relativn´ı faleˇsn´ y pˇredn´ı proud, zd´ anlivˇe detekovan´ y jako d˚ usledek ciz´ıho osvˇetlen´ı. Jmenovit´ y pˇredn´ı proud. Fotoelektrick´ y proud (fotovoltaick´ y). Saturaˇcn´ı proud diody. Boltzmannova konstanta(asi 1,38×10−23 J/K). Poˇcet elektron˚ u, nebo idealita diody, ve spice emission coefficient. Koncentrace donor˚ u a akceptor˚ u v polovodiˇci. Vlastn´ı (intrinzick´ a) koncentrace nosiˇc˚ u n´aboje. Polomˇer (r´ adius). Odpor mezi v´ yvodem control voltage a zem´ı u obvodu 555. Odpor mezi v´ yvodem discharge a ˇcasovac´ı kapacitou u obvodu 555. Nejvˇetˇs´ı polomˇer,m´ınˇeno ˇcoˇcky n´ avˇestidla Reflexivita (odrazivost) n´ ahrady Reflexivita (odrazivost) baˇ nky ˇz´ arovky.

ix

RP RS RS1 RS2 T TK UF UF0 Ufv ZV Φrel ν τn,p θi,r,t ϕH ϕV

Paraleln´ı odpor diody v propustn´em nebo z´avˇern´em smˇeru. S´eriov´ y odpor diody. S´eriov´ y odpor hlavn´ı (sv´ıtiv´e) diody. S´eriov´ y odpor parazitn´ı paraleln´ı diody. Teplota, vˇetˇsinou termodynamick´ a, ve v´ yrazu kT vˇzdy, v souvislosti se spice Celsiova. Temeno kolejnice, vztaˇzn´ a vodorovn´ a rovina. Pˇredn´ı napˇet´ı diody. Pˇredn´ı napˇet´ı diody v bezporuchov´em stavu. Fotovoltaick´e napˇet´ı diody. impedance voltmetru. Relativn´ı svˇeteln´ y tok, pomˇer svˇeteln´eho toku degradovan´e a nov´e sv´ıtiv´e diody. Frekvence svˇetla. Doba ˇzivota nosiˇc˚ u n´ aboj˚ u. ´ Uhel dopadu, odrazu, lomu. ´ Uhlov´ a odchylka od optick´e osy ve vodorovn´e rovinˇe. ´ Uhlov´ a odchylka od optick´e osy ve svisl´e rovinˇe.

x

Obsah 1

´ Uvod

Pˇredkl´ adan´ a disertaˇcn´ı pr´ ace se zab´ yv´ a bezpeˇcn´ ym dohledem funkce sv´ıtiv´ ych diod pˇri jejich pouˇzit´ı v ˇzelezniˇcn´ıch svˇeteln´ ych n´avˇestidlech. Pˇr´ımo navazuje ˇ ala [38] i na pˇredchoz´ı v´ na disertaˇcn´ı pr´ aci Petra St´ yzkum perspektivn´ıch svˇeteln´ ych zdroj˚ u pro n´ avˇestidla, prov´ adˇen´ y na Katedˇre aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı [13,14,34–37]. V´ yhody sv´ıtiv´ ych diod oproti ostatn´ım zdroj˚ um svˇetla, zejm´ena vysok´ au ´ˇcinnost a dlouh´ a ˇzivotnost vedly k jejich rychl´emu zaveden´ı ve vˇsech oblastech, kter´e svˇeteln´e zdroje vyuˇz´ıvaj´ı, vˇcetnˇe dopravn´ıch n´ avˇestidel [33, 63]. Jejich n´ astup do ˇzelezniˇcn´ıch n´avˇestidel je v´ yraznˇe pomalejˇs´ı, zejm´ena ze dvou d˚ uvod˚ u: ovl´ ad´ an´ı a bezpeˇcn´a kontrola funkce n´avˇestn´ı ˇz´ arovky jsou jednoduch´e a vˇsechna dosavadn´ı ˇreˇsen´ı svˇeteln´ ych n´avˇestidel a n´ avˇestn´ıch obvod˚ u vych´ azej´ı z vlastnost´ı ˇz´ arovky. Kr´atk´a ˇzivotnost ˇz´arovky (ˇr´ adovˇe stovky aˇz tis´ıce hodin) a n´ ahl´ y charakter pˇrevaˇzuj´ıc´ı poruchy vedly pˇri v´ yvoji zabezpeˇcovac´ıch zaˇr´ızen´ı se svˇeteln´ ymi n´ avˇestidly k tomu, ˇze na svˇeteln´e zdroje n´ avˇestidel je a priori nahl´ıˇzeno jako na m´ alo spolehliv´e, je obvykl´e funkci ˇz´ arovky bezpeˇcnˇe detekovat a pˇr´ıpadnou poruchu negovat. V souˇcasnosti je prakticky vylouˇceno nahradit n´ avˇestn´ı ˇz´ arovku sv´ıtiv´ ymi diodami, aniˇz by nebyl zajiˇstˇen dohled jej´ı funkce na stejn´e u ´rovni bezpeˇcnosti, jako u n´avˇestn´ı ˇz´ arovky. Aˇckoliv je ˇz´ arovka jako svˇeteln´ y zdroj nespolehliv´a, jde o prvek s v´ yraznˇe asymetrick´ ym projevem poruchy (ztr´ ata tˇesnosti, pˇreruˇsen´ı nosiˇce vl´akna i pˇreruˇsen´ı elektrick´eho spojen´ı mezi nosiˇcem a patic´ı se projevuj´ı jako pˇreruˇsen´ı vl´ akna), coˇz je z hlediska zabezpeˇcovac´ı techniky velmi v´ yhodn´e. U sv´ıtiv´ ych diod takovou asymetrii nenajdeme, charakter jejich poruch je r˚ uznorod´ y a detekce tˇechto poruch obt´ıˇznˇejˇs´ı. Pˇres to vˇsechno je motivace pouˇz´ıt sv´ıtiv´e diody v ˇzelezniˇcn´ıch n´avˇestidlech velmi siln´ a, hlavn´ım d˚ uvodem jsou v´ yhody ekonomick´e, spoˇc´ıvaj´ıc´ı ve sn´ıˇzen´ı n´ aklad˚ u na u ´drˇzbu i provoz. V souˇcasn´ ych ˇzelezniˇcn´ıch n´ avˇestidlech, kter´a vyuˇz´ıvaj´ı sv´ıtiv´e diody, se poˇzadovan´e u ´rovnˇe bezpeˇcnosti v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech dosahuje redundanc´ı, tedy pouˇzit´ım vˇetˇs´ıho poˇctu diod, neˇz by odpov´ıdalo poˇzadovan´emu svˇeteln´emu toku. T´ım je sice pravdˇepodobnost nebezpeˇcn´e poruchy, spoˇc´ıvaj´ıc´ı v poklesu dohlednosti n´ avˇestidla sn´ıˇzena na pˇrijatelnou mez, ale za cenu zv´ yˇsen´ı n´aklad˚ u jak investiˇcn´ıch (v´ıce LED stoj´ı v´ıce), tak provozn´ıch (v´ıce LED spotˇrebuje v´ıce energie). D˚ uleˇzitou vlastnost´ı tohoto pˇr´ıstupu je, ˇze umoˇzn ˇuje pˇr´ınosy i n´ aklady pˇresnˇe kvantifikovat a vz´ ajemnˇe je vyvaˇzovat a to v bezpeˇcnostn´ı i ekonomick´e dom´enˇe. Autor se vˇsak domn´ıv´ a, ˇze jedin´ y spr´avn´ y pˇr´ıstup je hledat ˇreˇsen´ı nejbezpeˇcnˇejˇs´ı. Snaha naj´ıt cestu k takov´emu ˇreˇsen´ı je hlavn´ım motivem t´eto disertaˇcn´ı pr´ ace. Druh´ ym, nem´enˇe d˚ uleˇzit´ ym motivem, je skuteˇcnost, ˇze v nˇekter´ ych aplikac´ıch uveden´ y princip s redundantn´ımi sv´ıtiv´ ymi diodami nelze vyuˇz´ıt z technick´ ych pˇr´ıˇcin. Jde zejm´ena o pˇr´ımou n´ahradu n´avˇestn´ı 1

ˇza´rovky pro st´ avaj´ıc´ı ˇcoˇckov´ a n´ avˇestidla, kter´ a vyˇzaduj´ı svˇeteln´ y zdroj, jehoˇz um´ıstˇen´ı a velikost se shoduj´ı s um´ıstˇen´ım a velikost´ı vl´akna n´avˇestn´ı ˇz´arovky. S poˇctem sv´ıtiv´ ych diod, kter´e lze vestavˇet do prostoru odpov´ıdaj´ıc´ıho vl´aknu ˇza´rovky, nelze dos´ ahnout takov´e redundance, aby n´ahrada ˇz´arovky byla dostateˇcnˇe bezpeˇcn´ a.

2

C´ıl pr´ ace

2.1

Vlastn´ı c´ıl pr´ ace

C´ılem pr´ ace je prozkoumat pouˇzitelnost fotometrick´eho dohledu bezchybn´e funkce sv´ıtiv´ ych diod, vyuˇz´ıvaj´ıc´ıho fotoelektrick´eho jevu pˇr´ımo v tˇechto sv´ıtiv´ ych diod´ ach. Souˇc´ ast´ı c´ıle je anal´ yza bezpeˇcnosti navrˇzen´eho dohledu a n´avrh struktury bezpeˇcn´eho dohl´ıˇzec´ıho obvodu pro n´ ahradu n´ avˇestn´ı ˇz´arovky urˇcen´e do konvenˇcn´ıch n´ avˇestn´ıch sv´ıtilen s ˇcoˇckovou optickou soustavou.

2.2

Pracovn´ı hypot´ ezy

1. V souˇcasnosti dostupn´e vysoce sv´ıtiv´e diody umoˇzn ˇuj´ı vytvoˇrit svˇeteln´y zdroj pro konvenˇcn´ı n´ avˇestn´ı sv´ıtilnu, s n´ımˇz m´ a sv´ıtilna bud’ stejn´e, nebo lepˇs´ı fotometrick´e vlastnosti neˇz s n´ avˇestn´ı ˇz´ arovkou. 2. U uveden´ych sv´ıtiv´ych diod m˚ uˇze nastat nebezpeˇcn´ a porucha, pˇri n´ıˇz dojde k v´yznamn´emu poklesu sv´ıtivosti diody a souˇcasnˇe se pˇri t´eto poruˇse nezmˇen´ı propustn´e napˇet´ı pˇri konstantn´ım proudu. Potvrzen´ı t´eto hypot´ezy znamen´ a, ˇze dohled sv´ıtiv´ ych diod mˇeˇren´ım nebo komparac´ı propustn´eho napˇet´ı pˇri nap´ ajen´ı konstantn´ım proudem nen´ı bezpeˇcn´ y ve smyslu klasick´ ych z´ asad zabezpeˇcovac´ı techniky [10, s. 12] a d˚ ukaz bezpeˇcnosti takov´ ych ˇreˇsen´ı nutnˇe vyˇzaduje kvantitativn´ı anal´ yzu bezpeˇcnosti. 3. Sv´ıtiv´e diody podle bodu 1 vykazuj´ı fotoelektrick´y jev. Ze souˇcasn´ ych znalost´ı o sv´ıtiv´ ych diod´ ach vypl´ yv´a, ˇze kaˇzd´a sv´ıtiv´a dioda vykazuje fotoelektrick´ y jev a opaˇcnˇe, ˇze nˇekter´e diody vykazuj´ıc´ı fotoelektrick´ y jev jsou schopny vyr´ abˇet elektromagnetick´e z´aˇren´ı pˇr´ısluˇsn´e vlnov´e d´elky elektroluminiscenc´ı [2]. Pro partikul´arn´ı pˇr´ıpad sv´ıtiv´ ych diod vhodn´ ych pro svˇeteln´ a n´ avˇestidla je tato hypot´eza prok´azan´a v ˇc´asti 5.1. 4. Existuje geometrick´e uspoˇr´ ad´ an´ı dvou nebo v´ıce sv´ıtiv´ych diod podle bodu 1 a pomocn´ych optick´ych prvk˚ u (svˇetlovod˚ u, zrcadel a podobnˇe), kter´e umoˇzn ˇuje detekovat na jedn´e z tˇechto diod fotoelektrick´y jev vyvolan´y svˇetlem vys´ılan´ym jinou z tˇechto dvou nebo v´ıce diod. 2

Splnˇen´ı t´eto hypot´ezy je dalˇs´ı nutnou podm´ınkou k u ´spˇeˇsn´emu sestrojen´ı n´ ahrady n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky se sv´ıtiv´ ymi diodami, kter´e vyuˇz´ıvaj´ı pˇr´ım´eho dohledu sv´ıcen´ı prostˇrednictv´ım fotoelektrick´eho jevu. Vlastnosti tohoto uspoˇr´ ad´ an´ı vˇcetnˇe vlastnost´ı pomocn´ ych optick´ ych prvk˚ u d´ale ovlivˇ nuj´ı bezpeˇcnost cel´e n´ ahrady a mus´ı b´ yt zohlednˇeny pˇri d˚ ukazu bezpeˇcnosti n´ ahrady podle bodu 1 i v dalˇs´ıch pˇr´ıpadn´ ych aplikac´ıch v n´avˇestn´ı technice. Platnost hypot´ezy je prok´ az´ ana v ˇc´ asti 5.1. 5. Existuje uspoˇr´ ad´ an´ı splˇ nuj´ıc´ı pˇredchoz´ı bod, kter´e nesn´ıˇz´ı extrakci svˇetla ze sv´ıtilny ve srovn´ an´ı s uspoˇr´ ad´ an´ım, kter´e pˇr´ıtomnost fotoelektrick´eho jevu nijak nevyuˇz´ıv´ a. Ze z´ akona zachov´ an´ı energie plyne, ˇze svˇetlo, kter´e bude detekov´ ano na diodˇe podle bodu 4, nem˚ uˇze b´ yt vysl´ano ven mimo sv´ıtilnu. K detekci sv´ıcen´ı tedy mus´ı b´ yt vyuˇzito svˇetlo, kter´e by jinak bylo zachyceno ve sv´ıtilnˇe prvky, jeˇz ve sv´ıtilnˇe b´ yt musej´ı bez ohledu na to, zda se fotoelektrick´ y jev vyuˇz´ıv´ a, ˇci nikoli. Hypot´eza je prok´az´ana v ˇc´ asti 5.1. 6. Existuje veliˇcina kvantifikuj´ıc´ı fotoelektrick´y jev podle bodu 4, pˇriˇcemˇz funkce vyjadˇruj´ıc´ı jej´ı z´ avislost na svˇeteln´em toku sv´ıtilny je v pracovn´ı oblasti sv´ıtilny ryze monot´ onn´ı. Mˇeˇren´ım nebo jinou kvantifikac´ı veliˇciny splˇ nuj´ıc´ı tyto podm´ınky lze urˇcit, zda svˇetlo vyd´ avan´e sv´ıtilnou skuteˇcnˇe dosahuje poˇzadovan´e minim´ aln´ı intenzity. Podm´ınka ryz´ı monotonie znamen´a, ˇze ˇz´adnou dalˇs´ı veliˇcinu, vnˇejˇs´ı ani vnitˇrn´ı, k rozhodnut´ı o dosaˇzen´ı minim´aln´ı poˇzadovan´e sv´ıtivosti nen´ı potˇreba. Hypot´eza je prok´ az´ana v ˇc´asti 5.2.1. 7. Zmˇena veliˇciny podle pˇredchoz´ıho bodu m´ a pˇri vˇsech uvaˇzovan´ych poruch´ ach stejn´e znam´enko jako zmˇena t´eˇze veliˇciny pˇri zmenˇsen´ı svˇeteln´eho toku sv´ıtilny. Je-li tato hypot´eza platn´ a, pak pokud dojde k libovoln´e poruˇse sv´ıtiv´e diody, bude jej´ı porucha ch´ ap´ ana jako sn´ıˇzen´ı svˇeteln´eho toku a n´aslednˇe pˇrevedena bezpeˇcnˇejˇs´ım smˇerem. Hypot´eza je prok´az´ana v ˇc´asti 5.2.1 pro poruchy charakteru paraleln´ıch a s´eriov´ ych parazitn´ıch prvk˚ u typu rezistance a dioda. Hypot´eza je falzifikov´ ana pro poruchu charakteru dif´ uze pˇr´ımˇes´ı v LED v ˇc´ asti 5.4.3. 8. Sv´ıtilna s osazenou n´ ahradou podle pˇredchoz´ıch bod˚ u je stejnˇe odoln´ a proti n´ avˇestn´ımu fantomu, jako sv´ıtilna osazen´ a ˇz´ arovkou. Hypot´eza je prok´ az´ ana v ˇc´ asti 5.4.5. 9. Bˇeˇzn´e svˇeteln´e zdroje vnˇe n´ avˇestn´ı sv´ıtilny neovlivn´ı bezpeˇcnost dohledu s vyuˇzit´ım fotoelektrick´eho jevu podle pˇredchoz´ıch bod˚ u. Hypot´eza je prok´ az´ ana v ˇc´ asti 5.4.1. 3

3 3.1

Teoretick´ a v´ ychodiska a souˇ casn´ y stav problematiky Technick´ e a legislativn´ı poˇ zadavky na n´ avˇ estidla

Vyhl´ aˇskou 173/1995 Sb. se vyd´ av´ a dopravn´ı ˇr´ ad drah, j´ımˇz se v oblasti svˇeteln´ ych n´ avˇestidel urˇcuj´ı z´ avaznˇe z´ akladn´ı v´ yznamy barevn´ ych svˇetel n´avˇestidel, dohlednosti svˇetel a jejich kolorimetrick´e souˇradnice. Z´akladn´ı v´ yznamy barevn´ ych svˇetel jsou jiˇz tradiˇcn´ı: ˇcerven´e — st˚ uj, ˇzlut´e — v´ ystraha, zelen´e — volno, modr´e — posun zak´ az´ an, b´ıl´e — posun dovolen. Dohlednost svˇetel je urˇcena podm´ınkou viditelnosti n´ avˇestn´ıho znaku po dobu 12 s, sn´ıˇzenou v pˇr´ıpadˇe splnˇen´ı jist´ ych podm´ınek, mimo jin´e pˇrenosu n´avˇesti na hnac´ı vozidlo, na 7 s. Nejmenˇs´ı dohlednost n´ avˇesti ze stoj´ıc´ıho vozidla je vyhl´aˇskou poˇzadov´ ana 100 m.

3.2

Sv´ıtiv´ e diody, jejich funkce a poruchy

Sv´ıtiv´e diody jsou urˇceny k pˇr´ım´e pˇremˇenˇe elektrick´e energie na svˇetlo prostˇrednictv´ım z´ aˇriv´e rekombinace na pˇrechodu p-n. Je energeticky optim´aln´ı je nap´ajet ze zdroj˚ u proudu konstantn´ım proudem podle poˇzadovan´e sv´ıtivosti. Norma [42] pˇri anal´ yze bezpeˇcnosti poruch pˇredpokl´ ad´ a, ˇze sv´ıtiv´a dioda je nap´ajena konstantn´ım proudem a ˇze pokud sv´ıt´ı, pak je na n´ı odpov´ıdaj´ıc´ı pˇredn´ı napˇet´ı. Obr´ acenˇe tato implikace neplat´ı, jak je pozdˇeji uk´ az´ ano. Kromˇe trivi´aln´ıch poruch, kter´e uv´ ad´ı citovan´ a norma, doch´ az´ı pˇri degradaci sv´ıtiv´ ych diod k vytvoˇren´ı parazitn´ıch struktur, kter´e se chovaj´ı jako dalˇs´ı paraleln´ı a s´eriov´e odpory a diody.

3.3

Fotoelektrick´ y jev ve sv´ıtiv´ ych diod´ ach

Podle autorov´ ych pozorov´ an´ı je existence fotoelektrick´eho jevu ve sv´ıtiv´ ych diod´ ach z pohledu bˇeˇzn´eho uˇzivatele sv´ıtiv´ ych diod obvykle neoˇcek´avan´a a nepˇredpokl´ adan´ a. V literatuˇre je fotoelektrick´ y jev ve sv´ıtiv´ ych diod´ach povaˇzov´ an za zcela samozˇrejm´ y, nicm´enˇe je ch´ ap´ an sp´ıˇse jako neˇz´adouc´ı, zejm´ena pˇri mˇeˇren´ı v oblasti n´ızk´ ych proud˚ u [33, s. 65]. Frank [7, s. 17] povaˇzuje vznik vnitˇrn´ıho fotoelektrick´eho jevu pˇri oz´ aˇren´ı svˇetlem vhodn´e vlnov´e d´elky a fotovoltaick´ y jev na f´ azov´em rozhran´ı (pˇrechodu) za jedny z hlavn´ıch vlastnost´ı polovodiˇc˚ u. Skuteˇcnosti, ˇze fotoelektrick´ y jev a elektroluminiscence jsou vz´ajemnˇe opaˇcn´e jevy, se vyuˇz´ıv´ a i pˇri diagnostice fotovoltaick´ ych ˇcl´ank˚ u. Fotoˇcl´anek se pˇripoj´ı se ke zdroji proudu a emitovan´e infraˇcerven´e z´aˇren´ı, vznikl´e elektroluminiscenc´ı se sn´ım´ a infraˇcervenou kamerou a ze z´ıskan´eho obrazu se vyhodnocuje struktura fotoˇcl´ anku [2, 8]. V souˇcasnosti je fotoelektrick´ y jev na sv´ıtiv´ ych diod´ach experiment´alnˇe ovˇeˇren a empiricky pops´ an. Vzniklo nˇekolik technick´ ych ˇreˇsen´ı, kter´a jej prakticky vyuˇz´ıvaj´ı. Bent et al. [1], stejnˇe jako Dietz et al. [4] vyuˇz´ıvaj´ı fotoelek4

trick´eho jevu v LED pˇri poloduplexn´ı optick´e komunikaci, kdy t´aˇz LED slouˇz´ı stˇr´ıdavˇe jako vys´ılaˇc i pˇrij´ımaˇc. Vzhledem ke zkouman´e problematice je v´ yznamn´a zejm´ena pr´ace Liova [16], v n´ıˇz se popisuj´ı pˇredpoklady vzniku fotoelektrick´eho jevu ve sv´ıtiv´ ych diod´ach, z´ aroveˇ n je fotoelektrick´ y jev kvantifikov´ an a vyuˇzit k diagnostice bˇehem v´ yroby sv´ıtiv´ ych diod. Spoleˇcnost Alcatel v souˇcasnosti vlastn´ı patent na vyuˇzit´ı fotoelektrick´eho jevu v ˇzelezniˇcn´ıch n´ avˇestidlech, kde je vyuˇzit ke kvantifikaci vnˇejˇs´ıho osvˇetlen´ı a zpˇetnovazebn´ımu ˇr´ızen´ı intenzity sv´ıcen´ı sv´ıtilny [51]. Protoˇze fotoelektrick´ y jev ve sv´ıtiv´ ych diod´ ach je pomˇernˇe okrajov´ y fenom´en, teoreticky byl zat´ım prozkoum´ an jen m´ alo, na z´ akladˇe teoretick´ ych znalost´ı nelze vytv´aˇret pˇredpovˇedi a hypot´ezy, kter´e by bylo moˇzno experiment´ alnˇe verifikovat. Vˇsechny pr´ace, kter´e jsou autorovi zn´ amy a fotoelektrick´ ym jevem v LED se zab´ yvaj´ı, usiluj´ı pˇredevˇs´ım o praktickou aplikaci a je pro nˇe postaˇcuj´ıc´ı zjiˇstˇen´ı, ˇze ve vybran´e sv´ıtiv´e diodˇe k fotoelektrick´emu jevu doch´ az´ı.

3.4

ˇ Zelezniˇ cn´ı svˇ eteln´ a n´ avˇ estidla se sv´ıtiv´ ymi diodami

Sv´ıtiv´e diody jako zdroj svˇetla pozornosti v´ yrobc˚ u n´avˇestidel neunikly a tak je na trhu dostupn´ ych nˇekolik typ˚ u n´ avˇestn´ıch sv´ıtilen a svˇeteln´ ych zdroj˚ u ˇ a spoleˇcnost AZD ˇ nab´ız´ı sv´ıtilnu se sv´ıtiv´ pro n´ avˇestidla. Cesk´ ymi diodami pro ˇ 70 [46], indik´ n´ avˇestidlo AZD ator PUR [47] a sv´ıtilny do v´ ystraˇzn´ık˚ u PVL 100 [19]. Pro litevsk´e a bˇelorusk´e ˇzeleznice t´ aˇz spoleˇcnost vyvinula sv´ıtilnu LLA-1, vybavenou optikou rusk´e spoleˇcnosti RoSAT [5]. Situace v zahraniˇc´ı je obdobn´ a, ˇrada v´ yrobc˚ u vyr´ab´ı sv´ıtilny s LED a dohledem na b´ azi volt´ amp´erov´ ych charakteristik, nebo s dokonalejˇs´ım dohledem na b´ azi kolorimetrick´eho senzoru.

4

Porovn´ an´ı sv´ıtivosti sv´ıtiv´ ych diod a ˇ z´ arovky

K potvrzen´ı pracovn´ı hypot´ezy 1 je nutn´e porovnat sv´ıtivosti n´avˇestn´ıch sv´ıtilen osazen´ ych ˇz´ arovkami a sv´ıtiv´ ymi diodami. V´ ysledky nˇekter´ ych mˇeˇren´ı jiˇz pubˇ al [38, s. 68–73], a to pro diody Luxeon Rebel Cool White 70 lm a Cree likoval St´ Xlamp MC-E Cool White 430 lm. Pro urˇcen´ı relativn´ı sv´ıtivosti novˇejˇs´ıch diod ˇ alova mˇeˇren´ı nebyly k dispozici, Luxeon Rebel Cool White 90 lm, kter´e v dobˇe St´ byl vyroben vzorek se dvˇema uveden´ ymi sv´ıtiv´ ymi diodami Luxeon Rebel na ploˇsn´em spoji o tlouˇst’ce lamin´ atu 0,3 mm, opatˇren´ y chladiˇci. Vzd´alenost stˇred˚ u ˇcoˇcek LED byla zmenˇsena na 4 mm. Celek chladiˇc˚ u s ploˇsn´ ym spojem byl adjustov´ an na svorn´ık M5 zalit´ y v ˇz´ arovkov´e patici BA20d. Nastaven´ı polohy diod v˚ uˇci patici bylo provedena pˇr´ımo v n´ avˇestn´ı sv´ıtilnˇe tak, aby svˇetlo vych´azej´ıc´ı ze sv´ıtilny prom´ıtalo na st´ın´ıtku kolm´em k optick´e ose sv´ıtilny nejmenˇs´ı kruh. Intenzita svˇetlen´ı takto osazen´e sv´ıtilny pak byla porovn´ana s intenzitou svˇetlen´ı t´eˇze sv´ıtilny osazen´e n´ avˇestn´ı ˇz´ arovkou 12 V, 20 W, ve smˇerech pˇrede5

psan´ ych normou [61]. Obˇe diody byly nap´ ajeny proudem 150 mA, ˇz´arovka byla nap´ ajena jmenovit´ ym napˇet´ım 12 V. Intenzita osvˇetlen´ı byla mˇeˇrena fotodiodou Siemens BPW 21 ve fotoelektrick´em reˇzimu. Fotodioda BPW 21 m´a spektr´ aln´ı citlivost upravenou vestavˇen´ ym filtrem tak, aby se co nejv´ıce bl´ıˇzila spektr´ aln´ı citlivosti lidsk´eho oka [66]. Fotodioda byla pˇripevnˇena na otoˇcn´em pˇr´ıpravku, kter´ y umoˇzn ˇuje snadn´e nastaven´ı smˇeru osy fotodiody v˚ uˇci ose n´ avˇestn´ı sv´ıtilny. Pro mˇeˇren´ı s dvojic´ı barevnˇe sv´ıt´ıc´ıch diod Luxeon Rebel (ˇcerven´a LXM2PD01-0040, zelen´ a LXML-PE01-0060, modr´ a LXML-PB01-0018 bylo upraveno geometrick´e uspoˇr´ ad´ an´ı diod na ploˇsn´em spoji tak, aby vzd´alenost stˇred˚ u ˇcoˇcek byla minim´ aln´ı a ˇcinila (3,04 ± 0,30) mm, jak vypl´ yv´a z v´ ykresu [68, s. 11]. Mˇeˇren´ı bylo opˇet provedeno pomoc´ı fotodiody Siemens BPW 21 ve fotoelektrick´em reˇzimu. Ve sv´ıtilnˇe byla instalov´ ana pˇr´ısluˇsn´a barevn´a ˇcoˇcka, rozˇ arovka byla nap´ajena napˇet´ım 12 V ptyln´ y ˇclen ve sv´ıtilnˇe namontov´ an nebyl. Z´ a sv´ıtiv´e diody proudem 200 mA kaˇzd´ a. Z v´ ysledk˚ u mˇeˇren´ı vypl´ yv´ a, ˇze pracovn´ı hypot´eza 1 plat´ı, nebot’ uveden´e sv´ıtiv´e diody Luxeon Rebel a Cree Xlamp MC-E dosahuj´ı pˇri zvolen´em buzen´ı v n´ avˇestn´ı sv´ıtilnˇe vˇetˇs´ı sv´ıtivosti, neˇz n´ avˇestn´ı ˇz´ arovka.

5 5.1

Kontrola pomoc´ı fotoelektrick´ eho jevu Pˇ renos svˇ etla mezi sv´ıt´ıc´ı a detekuj´ıc´ı diodou

V ˇc´ asti 3.3 je uk´ az´ ano, ˇze prostˇrednictv´ım fotoelektrick´eho jevu lze detekovat svˇetlo dopadaj´ıc´ı na sv´ıtivou diodu. Ve vˇsech zmiˇ novan´ ych publikac´ıch se vˇsak jedn´ a o aplikace, v nichˇz jsou sv´ıtiv´e diody, vys´ılaj´ıc´ı i pˇrij´ımaj´ıc´ı, orientov´any proti sobˇe tak, aby jedna sv´ıtila pˇr´ımo na druhou. Ve svˇeteln´em n´avˇestidle je vˇsak situace jin´ a, je ˇza´douc´ı, aby vˇsechny diody sv´ıtily ven ze sv´ıtilny vstˇr´ıc vlaku. Z toho plyne, ˇze optick´e osy sv´ıtiv´ ych diod v n´avˇestn´ı sv´ıtilnˇe musej´ı b´ yt rovnobˇeˇzn´e nebo t´emˇeˇr rovnobˇeˇzn´e. Je-li tomu tak, pak vzhledem ke smˇerov´ ym vyzaˇrovac´ım charakteristik´ am sv´ıtiv´ ych diod, kter´e jsou bud’ u ´zce smˇerov´e, nebo bl´ızce lambertovsk´e, je vylouˇceno, aby se diody navz´ajem ozaˇrovaly sv´ ym svˇetlem. K vz´ ajemn´e optick´e vazbˇe diod s rovnobˇeˇzn´ ymi nebo pˇribliˇznˇe rovnobˇeˇzn´ ymi optick´ ymi osami je proto nutn´e pouˇz´ıt pˇr´ıdavn´ y optick´ y ˇclen, zrcadlo nebo svˇetlovod, kter´ y ˇc´ ast svˇetla vyzaˇrovan´eho sv´ıtivou diodou pˇrevede na jinou sv´ıtivou diodu, kde toto svˇetlo bude moci b´ yt detekov´ano. U v´ıceˇcipov´ ych sv´ıtiv´ ych diod, kde je v jednom pouzdˇre pod polokulovou ˇcoˇckou um´ıstˇeno nˇekolik ˇcip˚ u , se svˇetlo z jednoho ˇcipu ˇc´ asteˇcnˇe odr´ aˇz´ı na rozhran´ı sklo-vzduch a dopad´ a na ostatn´ı ˇcipy. Jev je schematicky zn´ azornˇen na obr´azku 1 a). Pro jednoˇcipov´e sv´ıtiv´e diody, jako jsou napˇr´ıklad Luxeon Rebel, se k takov´e vazbˇe navrhuje pouˇz´ıt pr˚ uhlednou destiˇcku um´ıstˇenou pˇred sv´ıtiv´ ymi diodami. Na rozhran´ı vzduch-destiˇcka doch´ az´ı k ˇc´ asteˇcn´emu odrazu a odraˇzen´e svˇetlo ˇ asteˇcn´ m˚ uˇze b´ yt detekov´ ano na jin´e sv´ıtiv´e diodˇe. C´ ym odrazem na destiˇcce a 6

v destiˇcce doch´ az´ı k ˇc´ asteˇcn´e ztr´ atˇe svˇetla, ale pr´avˇe v pˇr´ıpadˇe sv´ıtiv´ ych diod Luxeon Rebel mus´ı b´ yt destiˇcka pouˇzita z toho d˚ uvodu, ˇze ˇcoˇcky sv´ıtiv´ ych diod vyroben´e z mechanicky m´ alo odoln´eho silikonu musej´ı b´ yt chr´anˇeny pˇred dotykem [67,68]. Uspoˇr´ ad´ an´ı diod a chod paprsk˚ u jsou schematicky zn´azornˇeny na obr´ azku 1 b).

a)

b)

ˇ LED Cree Xlamp MC-E. b) Rez ˇ dvojic´ı LED Luxeon Obr´ azek 1: a) Rez Rebel s pr˚ uhlednou destiˇckou. Mˇeˇr´ıtko 5:1.

Intenzitu odraˇzen´eho osvˇetlen´ı lze vypoˇc´ıtat se znalost´ı geometrick´eho uspoˇr´ad´ an´ı LED, indexu lomu materi´ alu pr˚ uhledn´e destiˇcky a Fresnelov´ ych vzorc˚ u:  Rs =

 Rp =

n1 cos αi − n2 cos αt n1 cos αi + n2 cos αt

2

n1 cos αt − n2 cos αi n1 cos αt + n2 cos αi

2

(1)

(2)

kde Rs a Rs jsou koeficienty odrazu s- a p-polarizovan´eho svˇetla; n1 a n2 jsou indexy lomu prostˇred´ı pˇred a za rozhran´ım; αi , αr , αt jsou u ´hly dopadu, odrazu a lomu. Snell˚ uv z´ akon lze vyj´ adˇrit sin αr =

n1 sin αi n2

(3)

a podle z´ akona odrazu αt = αi 7

(4)

Pro nepolarizovan´e svˇetlo, jak´e vyzaˇruj´ı LED je koeficient odrazu R pr˚ umˇerem Rs a Rs : Rs + Rp (5) R= 2 Pro v´ ypoˇcet celkov´e intenzity odraˇzen´eho osvˇetlen´ı na detekuj´ıc´ı diodˇe uvaˇzujme vzd´ alenost LED a, v´ yˇsku pr˚ uhledn´e destiˇcky nad rovinou ˇcipu h, tvar z´akladny ˇcoˇcky diody kruhov´ y o polomˇeru r, souˇradnice sv´ıt´ıc´ı diody [0, 0] a souˇradnice detekuj´ıc´ı diody [a, 0]. Bod dopadu odraˇzen´eho paprsku do roviny xy, vyˇsl´eho ze sv´ıt´ıc´ı diody s azimutem ϕ a elevac´ı θ m´ a souˇradnice x

=

2h cos ϕ · cotg θ,

(6)

y

=

2h sin ϕ · cotg θ.

(7)

Odraˇzen´ y paprsek dopadne na detekuj´ıc´ı diodu pˇri splnˇen´ı podm´ınky: (x − a)2 + y 2 ≤ r2

(8)

Integrac´ı souˇcinu relativn´ıho svˇeteln´eho toku LED ΦR (θ, ϕ) ve smˇeru (θ, ϕ) (radiation pattern, [68, s. 22–24]) a koeficientu refrakce R(θ) podle (5) s uvaˇzov´ an´ım identity αi = θ pro paprsky, kter´e splˇ nuj´ı podm´ınku (8) se vypoˇcte celkov´ a relativn´ı intenzita osvˇetlen´ı detekuj´ıc´ı diody Z 2π Z π ER = R(θ) · ΦR (θ, ϕ) dθ dϕ (9) 0

−π

Numerick´ y v´ ypoˇcet rovnice 9 ukazuje, ˇze intenzita osvˇetlen´ı detekuj´ıc´ı diody odraˇzen´ ym svˇetlem sv´ıt´ıc´ı diody je pˇri zkuˇsebn´ı konfiguraci (a = 6 mm, h = 2 mm) a nomin´ aln´ıch proudech sv´ıtivou diodou rovna 400 klx, tedy v´ yraznˇe pˇrevyˇsuje moˇzn´ a ruˇsiv´ a osvˇetlen´ı, jak je d´ ale diskutov´ano v ˇc´asti 5.4.1. Z toho, ˇze v rovnic´ıch 1–9 vystupuj´ı jako promˇenn´e jen geometrick´e veliˇciny, indexy lomu a svˇeteln´ y tok vyzaˇruj´ıc´ı diody, je zˇrejm´e, ˇze intenzita osvˇetlen´ı detekuj´ıc´ı diody se v ˇcase mˇen´ı jen v z´ avislosti svˇeteln´em toku sv´ıt´ıc´ı diody, protoˇze index lomu pr˚ uhledn´e destiˇcky a geometrick´e uspoˇr´ ad´an´ı sv´ıtiv´ ych diod a t´eto destiˇcky se bˇehem ˇzivotnosti n´ ahrady nezmˇen´ı. T´ım je prok´az´ana platnost pracovn´ı hypot´ezy 4, ˇze sv´ıcen´ı diody lze detekovat pomoc´ı fotoelektrick´eho jevu na jin´e sv´ıtiv´e diodˇe a v d˚ usledku toho, ˇze u v´ıceˇcipov´ ych diod se pouˇz´ıv´a spoleˇcn´ a ˇcoˇcka a u jednoˇcipov´ ych diod se silikonovou ˇcoˇckou se mus´ı pouˇz´ıt ochrann´ a kryc´ı destiˇcka, je prok´ az´ ana tak´e pracovn´ı hypot´eza 5 o nesn´ıˇzen´ı extrakce svˇetla ze sv´ıtilny zaveden´ım pomocn´ ych optick´ ych prvk˚ u.

5.2

Rozbor vlastnost´ı mˇ eˇ riteln´ ych veliˇ cin spjat´ ych s fotoelektrick´ ym jevem

V n´ asleduj´ıc´ıch podˇc´ astech jsou rozebr´ any vlastnosti veliˇcin, souvisej´ıc´ıch s fotoelektrick´ ym jevem ve sv´ıtiv´ ych diod´ ach, aby byla nalezena veliˇcina vyhovuj´ıc´ı pracovn´ı hypot´eze 6, tedy takov´ a, jej´ıˇz z´ avislost na sv´ıtivosti sv´ıtilny je ryze monot´ onn´ı a z´ aroveˇ n se poruchy sv´ıtiv´e diody projev´ı bezpeˇcnˇe. 8

A

B

RS

C

i

ι E

D

RP

Cj

A

Obr´ azek 2: N´ ahradn´ı sch´ema LED, podle [64]. 5.2.1

Fotoproud

Pˇri osv´ıcen´ı sv´ıtiv´e diody svˇetlem vhodn´e vlnov´e d´elky dojde k vnitˇrn´ımu fotoelektrick´emu jevu, generuj´ı se nosiˇce n´ aboje, jsou v oblasti prostorov´eho n´aboje separov´ any a mohou b´ yt vnˇe diody detekov´ any jako fotoproud, kter´ y je v t´eto pr´ aci oznaˇcov´ an Ifv indexem fv, aby se odliˇsil od proudu pˇredn´ıho (Forward), oznaˇcovan´eho IF . Velikost tohoto proudu Ifv odpov´ıd´ a dopadaj´ıc´ımu z´aˇriv´emu spektr´aln´ımu toku Φ(λ) ve spektr´ aln´ı oblasti L, v n´ıˇz je fotodioda citliv´a (λ ∈ L), zmenˇsen´emu n´ asoben´ım jej´ı kvantovou u ´ˇcinnost´ı η(λ): Z Φ(λ)λη(λ)|e| Ifv = dλ (10) hc L kde c je rychlost svˇetla, λ vlnov´ a d´elka, h Planckova konstanta a e n´aboj elektronu. Rovnici (10) nelze numericky vyˇc´ıslit bez zmˇeˇren´ı kvantov´e u ´ˇcinnosti η(λ), kter´ a z´ avis´ı na uspoˇr´ ad´ an´ı a v´ yrobn´ı technologii diody. Z´avislost fotoproudu na pˇredn´ım proudu se jev´ı podle oˇcek´ av´an´ı jako pˇr´ım´a u ´mˇera. U diod s v´ yraznˇejˇs´ım poklesem sv´ıtivosti v oblasti vˇetˇs´ıch proud˚ u se na fotoproudu projevuje i tento pokles. Z rovnice 10 a z uveden´ ych mˇeˇren´ı vypl´ yv´ a, ˇze fotoproud kvantifikuje svˇeteln´ y tok dopadaj´ıc´ı na diodu a ˇze z´ avislost fotoproudu na svˇeteln´em toku je rostouc´ı, ˇc´ımˇz je pro fotoproud potvrzena hypot´eza 6. Rozeberme vliv zmˇen parametr˚ u vlastn´ı diody i parazitn´ıch prvk˚ u na velikost fotoproudu, mˇeˇren´eho mˇeˇric´ım obvodem s n´ızkou (Z → 0 Ω) impedanc´ı. N´ahradn´ı sch´ema diody ve fotoelektrick´em reˇzimu s parazitn´ımi prvky ukazuje obr´azek 2. Z toho, ˇze RP a Cj jsou pasivn´ı, dioda D nedod´ av´ a proud do uzlu B a z 2. Kirchhoffova z´akona pro uzly A–C vypl´ yv´ a, ˇze i ≤ ι pro jak´ekoliv hodnoty tˇechto prvk˚ u, ˇc´ımˇz je pro fotoproud potvrzena hypot´eza 7, ˇze kaˇzd´ a uvaˇzovan´a porucha pˇri vyhodnocen´ı svˇeteln´eho toku sv´ıtilny se projev´ı jako sn´ıˇzen´ı toku. 5.2.2

Fotovoltaick´ e napˇ et´ı

Nahrad´ıme-li na obr´ azku 2 amp´ermetr ide´ aln´ım voltmetrem, bude: ZV → ∞ Ω

⇒ 9

i→0A

(11)

V ust´ alen´em stavu je proud mezi uzly B a C nulov´ y, fotoproud ι se rozdˇel´ı mezi D a RP V bezporuchov´em stavu je odpor RP velmi vysok´ y, v ˇr´adu gigaohm˚ u a mˇeˇren´e fotovoltaick´e napˇet´ı Ufv je d´ ano pˇredevˇs´ım fotoproudem ι a voltamp´erovou charakteristikou diody D. Vliv s´eriov´eho odporu RS lze pˇri splnˇen´ı nutn´e podm´ınky v implikaci 11 zanedbat. V pˇredchoz´ı ˇc´asti je uk´az´ano, ˇze fotoproud ι je pˇr´ımo u ´mˇern´ y osvˇetlen´ı diody. Oznaˇc´ıme-li konstantu u ´mˇernosti A a dosad´ıme do Shockleyovy rovnice a logaritmujeme, dost´av´ame: Ufv =

kT (ln E + ln A − ln IS ) e

(12)

Fotovoltaick´e napˇet´ı je tedy z´ avisl´e na logaritmu osvˇetlen´ı, coˇz potvrzuj´ı i mˇeˇren´ı, viz graf na obr´ azku ??. Je tak splnˇena podm´ınka ryz´ı monotonie v hypot´eze 6. Zmˇena fotovoltaick´eho napˇet´ı pˇri zmˇen´ ach osvˇetlen´ı v oblasti pracovn´ıch proud˚ u vˇsak nen´ı pˇr´ıliˇs v´ yrazn´ a, coˇz m˚ uˇze ˇcinit probl´emy pˇri praktick´em vyhodnocen´ı. Z´ aroveˇ n tak´e v ˇcitateli zlomku pˇred z´avorkou vystupuje teplota T a fotovoltaick´e napˇet´ı by mˇelo s teplotou r˚ ust. Tento vliv je ale potlaˇcen silnou z´ avislost´ı saturaˇcn´ıho proudu IS na teplotˇe. Fotovoltaick´e napˇet´ı s teplotou v´ yraznˇe kles´ a a to aˇz na hodnoty, jeˇz pˇri pokojov´e teplotˇe odpov´ıdaj´ı sv´ıcen´ı pˇri proudech v ˇr´ adu des´ıtek miliamp´er˚ u, tedy desetinˇe bˇeˇzn´ ych pracovn´ıch proud˚ u. Tento jev byl podrobnˇeji zkoum´ an a jako pˇr´ıˇcina se uk´azal vliv parazitn´ıch prvk˚ u v oblasti mal´ ych proud˚ u pˇri zv´ yˇsen´e teplotˇe. Pˇri pokojov´e teplotˇe je parazitn´ı prvky neprojevuj´ı ani pˇri mal´ ych proudech a graf z´ avislosti logaritmu pˇredn´ıho proudu na pˇredn´ım napˇet´ı je pˇr´ımka. Pˇri teplotˇe zv´ yˇsen´e na 100 ◦ C se u vˇetˇsiny zkouman´ ych diod projevily v´ yrazn´e odchylky od pˇr´ımky, zp˚ usoben´e paraleln´ım odporem a paraleln´ı diodou. Z charakteristik pˇri zv´ yˇsen´e teplotˇe je zˇrejm´e, ˇze u vˇsech diod Luxeon a u ˇcerven´e diody Cree se projev´ı parazitn´ı paraleln´ı dioda, kter´a v´ yraznˇe sn´ıˇz´ı propustn´e napˇet´ı pˇri mal´em proudu, kter´ y velikost´ı odpov´ıd´a fotoproudu pˇri fotoelektrick´e kontrole sv´ıcen´ı. U modr´e diody Cree se parazitn´ı prvky neprojev´ı, charakteristika pˇri zv´ yˇsen´e teplotˇe je pˇr´ım´ a a posunut´a o 0,2 V doleva. U b´ıl´e a zelen´e diody Cree se parazitn´ı prvky projevuj´ı i pˇri pokojov´e teplotˇe. Pˇredn´ı napˇet´ı sv´ıtiv´e diody pˇri mal´ ych proudech je z´avisl´e na teplotˇe i prostˇrednictv´ım tˇechto parazitn´ıch prvk˚ u, jejichˇz vliv je nutno ch´apat jako poruchu, aˇckoliv na bˇeˇznou funkci sv´ıtiv´e diody, tedy na sv´ıcen´ı, nemaj´ı ˇz´adn´ y vliv. V tomto ch´ ap´ an´ı se jedn´ a o poruchu ve smyslu hypot´ezy 7, kter´a zp˚ usob´ı zmˇenu veliˇciny kvantifikuj´ıc´ı fotoelektrick´ y jev, tedy fotovoltaick´eho napˇet´ı, kter´ a m´ a opaˇcn´e znam´enko, neˇz jej´ı zmˇena pˇri sn´ıˇzen´ı sv´ıtivosti sv´ıtilny. To m˚ uˇze m´ıt za mimoˇr´ adnˇe n´ızk´ ych vnˇejˇs´ıch teplot za d˚ usledek potenci´alnˇe nebezpeˇcn´ y stav, kdy fotovoltaick´e napˇet´ı pˇri sn´ıˇzen´e sv´ıtivosti bude stejnˇe velk´e jako v bezporuchov´em stavu. Pro fotovoltaick´e napˇet´ı tak hypot´eza 7 neplat´ı.

10

5.2.3

ˇ Cas nab´ıjen´ı kapacity pˇ rechodu fotoproudem

Ve snaze o co nejvˇetˇs´ı zjednoduˇsen´ı dohl´edac´ıho obvodu byl navrˇzen relaxaˇcn´ı oscil´ ator, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı paraleln´ıho spojen´ı zdroje fotoproudu ι a kapacity pˇrechodu Cj , viz obr´ azek ??. Princip dohl´edac´ıho obvodu s relaxaˇcn´ım oscil´atorem vyuˇz´ıv´ a skuteˇcnosti, ˇze k proudov´emu zdroji ι ≈ E je pˇripojena paraleln´ı kombinace RP | Cj , kter´ a se v oblasti velmi mal´ ych napˇet´ı (pod kolenem voltamp´erov´e charakteristiky diody D) chov´ a jako line´arn´ı jednokapacitn´ı soustava s pˇrechodovou charakteristikou na obr´ azku 3.

T

E

Obr´ azek 3: Pˇrechodov´ a charakteristika. Vliv diody se projev´ı z´ avislost´ı ust´ alen´eho napˇet´ı na teplotˇe, nebot’ i pˇri velmi mal´ ych napˇet´ıch prot´ek´ a diodou D proud, jehoˇz velikost je teplotnˇe z´ avisl´ a. Intenzita osvˇetlen´ı E, j´ıˇz je u ´mˇern´ y proud ι m´a vliv na sklon pˇrechodov´e charakteristiky v poˇc´ atku, tedy rychlost nab´ıjen´ı kapacity Cj . RS ι E

D

RP

Cj

T

Obr´ azek 4: N´ ahradn´ı sch´ema LED, podle [64], s pˇridan´ ym vyb´ıjec´ım tranzistorem T. Jak je zˇrejm´e z grafu na obr´ azku ??, veliˇcina kmitoˇcet v´ ystupu relaxaˇcn´ıho oscil´ atoru splˇ nuje podm´ınky pracovn´ı hypot´ezy 6. Vlivem p˚ usoben´ı parazitn´ıch prvk˚ u, popsan´ ych v ˇc´ asti 5.2.2, doch´ az´ı pˇri vyˇsˇs´ıch pracovn´ıch teplot´ach k vyrovn´ an´ı fotoproudu s proudem parazitn´ımi prvky a ust´alen´ı napˇet´ı na diodˇe na hodnotˇe niˇzˇs´ı, neˇz je napˇet´ı na v´ yvodu cv ˇcasovaˇce. T´ım se zastav´ı oscilace. Tento stav sice splˇ nuje podm´ınky hypot´ezy 7, ale vyluˇcuje praktick´e pouˇzit´ı 11

tohoto principu s ˇcasovaˇcem 555. Navrhnout zapojen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı uveden´ y princip, kter´e by nebylo ovlivnˇeno teplotn´ımi zmˇenami vlastnost´ı parazitn´ıch prvk˚ u a z´ aroveˇ n nebylo v´ yraznˇe sloˇzitˇejˇs´ı, se autorovi nepodaˇrilo.

12

5.3

transimpedanˇ cn´ı pˇ revodn´ık

Z ˇc´ asti 5.2.1 vypl´ yv´ a, ˇze nejvhodnˇejˇs´ı veliˇcinou pro fotoelektrick´ y dohled sv´ıcen´ı sv´ıtiv´ ych diod je fotoproud. Bezpeˇcn´e mˇeˇren´ı a bezpeˇcn´a komparace proud˚ u, kter´e dosahuj´ı velikosti v ˇr´ adu mikroamp´er˚ u, nejv´ yˇse des´ıtek mikroamp´er˚ u je obt´ıˇzn´ a. Hlavn´ım d˚ uvodem je tokov´ y charakter proudu. Pro z´ısk´an´ı lepˇs´ı pˇredstavy je vhodn´e pˇripomenout, ˇze v pˇr´ıpadˇe mˇeˇren´ı proudu dvˇema nez´avisly ´mi amp´ermetry se amp´ermetry zapoj´ı do s´erie, aby jimi prot´ekal t´ yˇz proud a nejsou-li ide´ aln´ı (Z 6= 0), kaˇzd´ y z nich bude na jin´e napˇet’ov´e hladinˇe. U redundantn´ıch struktur je tedy nezbytn´e potenci´alovˇe oddˇelit proudov´e mˇeˇric´ı vstupy nez´ avisl´ ych kan´ al˚ u. Navrˇzen´ y z´ akladn´ı princip fotoelektrick´eho dohledu m´ a dvoukan´ alov´ y charakter, pouˇzit´ı redundantn´ı struktury pˇri dalˇs´ım zpracov´ an´ı informace o sv´ıcen´ı se v n´ ahradˇe n´ avˇestn´ı ˇz´arovky pˇredpokl´ad´a.

−

ns

u2

+

R1

A

I

R2

u1

D −

I/U +

Obr´ azek 5: Transimpedanˇcn´ı pˇrevodn´ık. K pˇreveden´ı fotoproudu na napˇet´ı byl navrˇzen transimpedaˇcn´ı zesilovaˇc s dvojit´ ym v´ ystupem, jehoˇz principi´ aln´ı sch´ema je na obr´azku 5. Sch´ema vych´az´ı z invertuj´ıc´ıho pˇrevodn´ıku proudu na napˇet´ı, jehoˇz funkce je obecnˇe zn´ama. Sv´ıtiv´ a dioda je pˇripojena na invertuj´ıc´ı vstup operaˇcn´ıho zesilovaˇce I/U a je nap´ ajena ˇr´ızen´ ym zdrojem proudu I. V dobˇe, kdy dioda D nesv´ıt´ı (I = 0 A a sv´ıt´ı dioda opaˇcn´eho kan´ alu, dioda D dod´ av´ a fotoproud do uzlu A, kde zesilovaˇc udrˇzuje nulov´e napˇet´ı. Zpˇetnovazebn´ı odpor pˇrevodn´ıku je rozdˇelen do 13

dvou stejnˇe velk´ ych rezistor˚ u a pˇri zhasl´e diodˇe D v bezporuchov´em stavu plat´ı u1 = 2u2 ,

(13)

neplatnost t´eto rovnosti umoˇzn ˇuje nadˇrazen´emu obvodu detekovat poruchu zpˇetnovazebn´ıho odporu. V´ ysledky simulace poruch ve spice pro R1 = R2 = 500 kΩ, nap´ ajen´ı ±10 V, zesilovaˇc LT6016 uk´ azaly, ˇze zapojen´ı se chov´a bezpeˇcnˇe pˇri vˇsech uvaˇzovan´ ych poruch´ ach jeho prvk˚ u.

5.4

Ruˇ siv´ e vlivy

V t´eto ˇc´ asti jspu rozebr´ any vnˇejˇs´ı a poruchov´e vlivy, kter´e by mohly nepˇr´ıznivˇe ovlivnit bezpeˇcnost navrˇzen´eho dohl´edac´ıho obvodu sv´ıcen´ı LED. 5.4.1

Ciz´ı osvˇ etlen´ı

V t´eto ˇc´ asti se analyzuje vliv vnˇejˇs´ıho osvˇetlen´ı pronikaj´ıc´ıho do sv´ıtilny a dopadaj´ıc´ıho na sv´ıtiv´e diody um´ıstˇen´e v ohnisku optick´e soustavy. V u ´vahu je nutno vz´ıt dva moˇzn´e zdroje ciz´ıho osvˇetlen´ı: Slunce ve dne a reflektor lokomotivy v noci. Byla uskuteˇcnˇena dvˇe mˇeˇren´ı, jedno pro stanoven´ı vlivu Slunce a jedno pro stanoven´ı vlivu lokomotivn´ıho reflektoru. Pˇri prvn´ım mˇeˇren´ı byl mˇeˇren fotoproud generovan´ y pˇr´ım´ ym sluneˇcn´ım svˇetlem, dopadaj´ıc´ım ve smˇeru optick´e osy sv´ıtilny pˇri elevaci Slunce 40◦ a pˇri jasn´e obloze. Pˇri druh´em mˇeˇren´ı byl mˇeˇren fotoproud generovan´ y osvˇetlen´ım ˇ vozidlovou halogenovou ˇz´ arovkou 70 W, pouˇz´ıvanou v reflektorech vozidel Cesk´ ych drah, um´ıstˇenou ve vzd´ alenosti 1654 mm od sv´ıtilny, coˇz je nejmenˇs´ı moˇzn´ a vzd´ alenost mezi reflektorem na vozidle a n´ avˇestn´ı sv´ıtilnou. Je uvaˇzov´an nejm´enˇe pˇr´ızniv´ y hypotetick´ y pˇr´ıpad, kdy je stˇred reflektoru v ose koleje na horn´ı hranˇe pr˚ ujezdn´eho pr˚ uˇrezu pro neelektrizovan´e tratˇe, n´avˇestn´ı sv´ıtilna je na konzole otoˇcen´e kolmo smˇerem ke koleji a optick´a osa reflektoru lokomotivy je identick´ a s optickou osou n´ avˇestn´ı sv´ıtilny (geometrick´e u ´daje pˇrevzaty z [12, 44].) Z tabulky je patrn´e, ˇze faleˇsn´ y fotoproud v pˇr´ıpadˇe noˇcn´ıho sv´ıcen´ı nepˇresahuje tˇri procenta fotoproudu v bezporuchov´em stavu. Vzhledem k tomu, ˇze jde o nejm´enˇe pˇr´ızniv´ y pˇr´ıpad, kdy je lokomotiva jako zdroj ciz´ıho osvˇetlen´ı v tˇesn´e bl´ızkosti n´ avˇestidla (do 10 m), je poˇzadovan´a sv´ıtivost sv´ıtilny rovna m´enˇe neˇz setinˇe sv´ıtivosti poˇzadovan´e pro plnou dohlednost, j´ıˇz odpov´ıd´a fotoproud v bezporuchov´em a neovlivnˇen´em stavu. V uveden´em pˇr´ıpadˇe faleˇsn´ y fotoproud vyvolan´ y ciz´ım osvˇetlen´ım nem˚ uˇze nahradit fotoproud pˇri bezporuchov´e funkci a pˇr´ıpadn´ a porucha tak nem˚ uˇze b´ yt pˇrekryta ciz´ım osvˇetlen´ım. T´ım je pro noˇcn´ı sv´ıcen´ı prok´ az´ ana hypot´eza 9. Podle normy [61] mus´ı b´ yt n´ avˇestn´ı sv´ıtilna konstruov´ana pro dohlednost d=400 m pˇri stˇredn´ı mlze, j´ıˇz odpov´ıd´ a prostupnost atmosf´ery T = 0,035. Relativn´ı sv´ıtivost Irel urˇcen´ a postupem podle t´eto normy je pˇri vynikaj´ıc´ı 14

meteorologick´e dohlednosti (T = 1) ve vzd´ alenosti 400 m od n´avˇestidla Irel =

1 1 = = 3,8 d T 0,0350,4

(14)

tedy 3,8kr´ at vˇetˇs´ı, neˇz je nutn´e pro dosaˇzen´ı poˇzadovan´e dohlednosti 400 m. Z toho plyne, ˇze sv´ıtivost n´ avˇestidla se m˚ uˇze sn´ıˇzit aˇz 3,8kr´at, aniˇz by jeho dohlednost pˇri vynikaj´ıc´ı meteorologick´e dohlednosti klesla pod poˇzadovanou mez. Nejm´enˇe pˇr´ızniv´ y pˇr´ıpad ovlivnˇen´ı ciz´ım osvˇetlen´ım nast´av´a pr´avˇe pˇri vynikaj´ıc´ı dohlednosti, kdy sluneˇcn´ı svˇetlo nen´ı tlumeno pr˚ uchodem atmosf´erou. Aby sluneˇcn´ı svˇetlo zakrylo nebezpeˇcnou poruchu poklesu dohlednosti sv´ıtilny pod poˇzadovan´ ych 400 m, muselo by vyrovnat“ pokles fotoproudu z 1/3, 8 = ” 26 % zpˇet na jmenovitou hodnotu. To vˇsak podle tˇret´ıho sloupce sloupce tabulky m˚ uˇze jen pro zelenou sv´ıtilnu, nebot’ namˇeˇren´ y faleˇsn´ y fotoproud u vˇsech ostatn´ıch barev dosahuje v´ yraznˇe m´enˇe, neˇz potˇrebn´ ych 74 %. Pro sv´ıtilnu zelen´e barvy lze prov´est jeˇstˇe zpˇresnˇen´ı, vych´azej´ıc´ı z geometrick´ ych vlastnost´ı sv´ıtilny. Pr˚ umˇer v´ ystupn´ı ˇcoˇcky sv´ıtilny je 200 mm, d´elka st´ın´ıtka ˇcin´ı 500 mm. St´ın´ıtko je sklonˇeno o tˇri stupnˇe dol˚ u [12]. Slunce pak m˚ uˇze b´ yt nejv´ yˇse 20◦ nad obzorem, aby mohlo osv´ıtit v´ ystupn´ı optiku sv´ıtilny. Protoˇze u ´tlum atmosf´ery odpov´ıd´ a 1/ cos z, kde z je zenitov´a u ´hlov´a vzd´ alenost [11], je relativn´ı faleˇsn´ y fotoproud pro zelen´e svˇetlo pˇrepoˇcten´ y z mˇeˇren´ı pˇri elevaci 40◦ na elevaci 20◦ roven 47 %. To je tak´e v´ yraznˇe m´enˇe, neˇz 74 %. T´ım je pro denn´ı sv´ıcen´ı prok´ az´ ana hypot´eza 9. 5.4.2

Degradace sv´ıtiv´ ych diod

Tato ˇc´ ast diskutuje vliv postupn´e degradace sv´ıtiv´ ych diod na vlastnosti fotoelektrick´eho dohledu prostˇrednictv´ım fotoproudu. Kromˇe vlastn´ıch mˇeˇren´ı ˇ alovˇe disertaci [38, ˇc´ast 6.2]. vych´ az´ı z mˇeˇren´ı proveden´ ych ve St´ Z literatury [18, 33, 65] je zn´ amo, ˇze sv´ıtivost sv´ıtiv´ ych diod kles´a s doˇ alov´ bou jejich sv´ıcen´ı a to t´ım rychleji, pˇri ˇc´ım vyˇsˇs´ı teplotˇe pracuj´ı. Ze St´ ych mˇeˇren´ı [38, s. 114] vypl´ yv´ a, ˇze degradace se na voltamp´erov´e charakteristice projevuje souˇcasnˇe jako pokles parazitn´ıho paraleln´ıho odporu Rp a vzr˚ ust s´eriov´eho odporu RS , ve smyslu uveden´em v v ˇc´asti 3.2. Z toho lze usuzovat, ˇze degradace nebude m´ıt vliv na funkci dohledu prostˇrednictv´ım fotoproudu podle ˇc´ asti 5.2.1, nebot’ pˇri mˇeˇren´ı fotoproudu se samotn´ y paraleln´ı parazitn´ı odpor neuplatn´ı v˚ ubec, protoˇze je na nˇem udrˇzov´ano nulov´e napˇet´ı a s´eriov´ y parazitn´ı odpor se vzhledem ke sv´e velikosti uplatn´ı jen zanedbatelnˇe. Z hlediska zabezpeˇcovac´ı techniky je v´ yznamn´e, ˇze jak´ekoli zv´ yˇsen´ı s´eriov´eho parazitn´ıho odporu se projev´ı jako sn´ıˇzen´ı fotoproudu, protoˇze dojde ke zv´ yˇsen´ı napˇet´ı na zdroji fotoproudu, oznaˇcme je podle obr´ azku 2 UABC jako napˇet´ı v uzlech A, B, C. T´ım se zvˇetˇs´ı i proud paraleln´ım parazitn´ım odporem RP a zvˇetˇs´ı se sice mal´ y, ale pˇresto kladn´ y proud diodou D. Je zˇrejm´e, ˇze pˇri nenulov´em s´eriov´em parazitn´ım odporu se bezpeˇcnˇe, to jest jako sn´ıˇzen´ı fotoproudu, projev´ı i sn´ıˇzen´ı paraleln´ıho parazitn´ıho odporu. 15

Pro ujiˇstˇen´ı skuteˇcn´eho vlivu degradace sv´ıtiv´ ych diod byl zmˇeˇrena z´avislost relativn´ıho fotoproudu Ifvrel pˇri konstantn´ı intenzitˇe osvˇetlen´ı definovan´eho Ifv degradovan´a , (15) Ifvrel = Ifv nov´a E=konst. kde Ifv jsou pˇr´ısluˇsn´e fotoproudy degradovan´e, resp. nov´e sv´ıtiv´e diody pˇri konstantn´ım osvˇetlen´ı, na stupni degradace, kter´ y je vyj´adˇren jako relativn´ı svˇeteln´ y tok degradovan´e sv´ıtiv´e diody oproti svˇeteln´emu toku nov´e (nedegradovan´e) diody pˇri konstantn´ım proudu: Φ degradovan´a Φrel = , (16) Φ nov´a I=konst. Z grafu na obr´ azku 6 je zˇrejm´e, ˇze degradace sv´ıtiv´e diody, pˇri n´ıˇz doch´az´ı ke sn´ıˇzen´ı svˇeteln´eho toku o ˇctvrtinu aˇz o tˇretinu, se na schopnosti generovat fotoproud projev´ı jen nˇekolika procenty, ˇc´ımˇz se potvrzuje hypot´eza uveden´a na zaˇc´ atku t´eto ˇc´ asti, ˇze podstatn´ a ˇc´ ast degradac´ı, kter´e se projevuj´ı jako zv´ yˇsen´ı s´eriov´eho parazitn´ıho odporu a sn´ıˇzen´ı paraleln´ıho parazitn´ıho odporu se pˇri mˇeˇren´ı, nem´ a velk´ y vliv na mˇeˇren´ı fotoproudu. Nˇekolikaprocentn´ı sn´ıˇzen´ı fotoproudu, kter´e bylo namˇeˇreno, lze pˇripsat vzniku kombinovan´e poruchy, kter´a se elektricky chov´ a jako dalˇs´ı s´eriovo-paraleln´ı kombinace parazitn´ıch odpor˚ ua zdroje fotoproudu,pˇripojen´ a paralelnˇe k vlastn´ı sv´ıtiv´e diodˇe. Pˇresn´a identifikace charakteru t´eto poruchy je mimo zamˇeˇren´ı t´eto pr´ace a nebylo j´ı vˇenov´ano dalˇs´ı v´ yzkumn´e u ´sil´ı. Porucha — degradace sv´ıtiv´e diody jednoho kan´ alu, kter´a m´a za d˚ usledek sn´ıˇzen´ı sv´ıtivosti pˇri nap´ ajen´ı diody konstantn´ım proudem, m´a tedy pˇri detekci sv´ıcen´ı diody opaˇcn´eho kan´ alu za d˚ usledek sn´ıˇzen´ı fotoproudu, projevuje se jako sn´ıˇzen´ı sv´ıtivosti diody opaˇcn´eho kan´ alu, ˇc´ımˇz je pro tuto poruchu splnˇena hypot´eza 7, ˇze porucha detekce sv´ıcen´ı se projev´ı bezpeˇcnˇe. Z charakteru degradace sv´ıtiv´ ych diod, tedy z toho, ˇze jde o pomal´e a nevyhnuteln´e sniˇzov´ an´ı sv´ıtivosti v z´ avislosti na dobˇe sv´ıcen´ı a teplotˇe, vypl´ yv´a, ˇze pro kontrolu funkce sv´ıtiv´ ych diod nem˚ uˇze b´ yt pouˇzito ˇcistˇe redundantn´ıho dvoukan´ alov´eho principu, kdy by se porovn´ avaly hodnoty fotoproudu v jednom a druh´em kan´ ale a shoda tˇechto hodnot by byla ch´ap´ana jako bezporuchov´ y stav. Hroz´ı totiˇz nebezpeˇc´ı, ˇze sv´ıtivosti a fotoproudy v obou kan´alech by se s ˇcasem sniˇzovaly po kroc´ıch menˇs´ıch, neˇz je rozliˇsen´ı pˇr´ısluˇsn´eho kompar´atoru. ˇ alovy u Pouˇzij´ı-li se St´ ´daje [38, s. 109] a pˇredpokl´ ad´a-li se pˇrep´ın´an´ı kan´al˚ u s frekvenc´ı 100 Hz, pak relativn´ı rozd´ıl fotoproud˚ u vlivem degradace bˇehem jedn´e pˇrep´ınac´ı periody je 10−10 , coˇz je bˇeˇzn´ ymi komparaˇcn´ımi metodami nedetekovateln´e. 5.4.3

Dif´ uze dopant˚ u

Za jednu z v´ yznamn´ ych pˇr´ıˇcin degradace LED se povaˇzuje dif´ uze dopant˚ u, pˇr´ıpadnˇe neˇcistot mezi vrstvami diody, at’ uˇz jde o mˇed’ a zinek v LED z fosfidu 16

1

Ifvrel

0, 99

0, 98

0, 6

0, 7

0, 8

0, 9

1

Φrel Obr´ azek 6: Z´ avislost relativn´ıho fotoproudu na relativn´ım svˇeteln´em toku (stupni degradace.) Barva znaˇcky odpov´ıd´ a barvˇe mˇeˇren´e sv´ıtiv´e diody Luxeon Rebel.

galia [18], [33] nebo hoˇrˇc´ık v LED z nitridu galia [40]. Difuzn´ı tok J se ˇr´ıd´ı Fickov´ ym z´ akonem: −EA J = D0 e kT · ∇c, (17) kde c je koncentrace, D0 dif´ uzn´ı konstanta, EA aktivaˇcn´ı energie a kT m´a obvykl´ y v´ yznam souˇcinu Boltzmannovy konstanty a termodynamick´e teploty. Z v´ yrazu je zˇrejm´e, ˇze rychlost dif´ uze a tedy i rychlost dif´ uz´ı z˚ usoben´e degradace (zmˇeny rozloˇzen´ı dopant˚ u a neˇcistot v diodˇe) roste s teplotou. Skuteˇcnost, ˇze LED pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe degraduj´ı rychleji, je zn´ am a je zmiˇ nov´an jiˇz v pˇredchoz´ı podˇc´ asti. Zaj´ımav´e v´ ysledky v tomto smˇeru pˇrinesli Sung-nam et al. [40], jeˇz pomoc´ı iontov´e spektroskopie prok´ azali dif´ uzi hoˇrˇc´ıku ze z´akladn´ı vrstvy galiumnitridov´e LED do aktivn´ı oblasti s kvantov´ ymi j´amami, v n´ıˇz koncentrace hoˇrˇc´ıku dos´ ahla u ´rovnˇe aˇz o dva ˇr´ ady niˇzˇs´ı, neˇz byla v z´akladn´ı vrstvˇe, z n´ıˇz hoˇrˇc´ık difundoval. Vliv tohoto zp˚ usobu degradace na schopnost sv´ıtiv´e diody pˇremˇen ˇovat svˇetlo na elektrick´ y proud byl zkoum´ an pomoc´ı simulac´ı v aplikaci simwindows verze 1.5.0 autora Davida Winstona. C´ılem bylo prok´azat, ˇze pˇri vˇsech uvaˇzovan´ ych stupn´ıch degradace nedojde ke zv´ yˇsen´ı citlivosti LED na svˇetlo. Takovou poruchu je tˇreba podle normy [42, pˇr´ıloha C, tab. 8, ˇc. 3] vylouˇcit pro fotodiodu jako samostatnou souˇc´ astku a stejnˇe tak je tˇreba takovou poruchu vylouˇcit pro sv´ıtivou diodu pouˇzitou jako fotodiodu. Podle pozn´amky 25 k uveden´e tabulce normy lze zv´ yˇsen´ı citlivosti fotodiody od˚ uvodnˇenˇe vylouˇcit jako ne17

pravdˇepodobn´e z t´e pˇr´ıˇciny, ˇze citlivost fotodiody z´ avis´ı na tlouˇst’ce pˇrechodu, dobˇe ˇzivota n´ aboje, a u ´rovn´ıch dotov´ an´ı. Pˇriˇcemˇz vyjma doby ˇzivota n´aboje tyto parametry maj´ı z˚ ustat konstantn´ı nebo se sniˇzovat. Protoˇze pouˇzit´ı sv´ıtiv´ ych diod, zejm´ena v´ ykonov´ ych, ve fotoelektrick´em reˇzimu je zcela novou aplikac´ı, kter´ a se pracovn´ımi odm´ınkami v´ yraznˇe liˇs´ı od uˇzit´ı bˇeˇzn´e fotodiody, je nezbytn´e ovˇeˇrit platnost v´ ychoz´ıch pˇredpoklad˚ u v´ yˇse uveden´ ych, zejm´ena z toho d˚ uvodu, ˇze dif´ uze dopant˚ u, kterou norma povaˇzuje za od˚ uvodnitelnˇe nepravdˇepodobnou, je teplotnˇe z´avisl´a (viz rovnice 17) a v´ ykonov´e sv´ıtiv´e diody jsou v uvaˇzovan´e aplikaci na rozd´ıl od bˇeˇzn´ ych fotodiod pˇri sv´ıcen´ı v´ yznamnˇe tepelnˇe zatˇeˇzov´ any. Vzhledem k tomu, ˇze pˇresn´ a struktura a sloˇzen´ı materi´al˚ u uvaˇzovan´ ych LED nen´ı zn´ ama, nebylo moˇzno teoeticky zkoumat, zda v nich dif´ uze dopant˚ u prob´ıh´ a a jak´e je v´ ysledn´ a zmˇena jejich struktury. V souladu se z´asadami zabezpeˇcovac´ı techniky je uvaˇzov´ ano, ˇze takov´ y poruchov´ y mechanismus nastat m˚ uˇze, nen´ı-li vˇerohodnˇe zd˚ uvodnˇeno, ˇze nastat nem˚ uˇze. Protoˇze takov´e zd˚ uvodnˇen´ı nen´ı, pˇredpokl´ ad´ a se, ˇze k dif´ uzi dopant˚ u doj´ıt m˚ uˇze. Simulovan´ a struktura LED sest´ av´ a z 6,3 µm n-GaN, 60nm aktivn´ı vrstvy ´ s kvantov´ ymi j´ amami a 170 nm p-GaN, podle [9]. Udaje o struktuˇre aktivn´ı vrstvy v´ yrobce nepublikuje, na z´ akladˇe obecn´ ych doporuˇcen´ı v literatuˇre [33, kap. 7] a publikovan´ ych experiment˚ u s galiumnitridov´ ymi LED [30, 40] byla zvolena tlouˇst’ka vrstvy kvantov´e j´ amy 2 nm, tlouˇst’ka stˇeny kvantov´e j´amy 8 nm a poˇcet kvantov´ ych jam ˇsest. Struktura LED, sloˇzen´ı a u ´roveˇ n dopov´an´ı jednotliv´ ych vrstev je uvedena na obr´ azku 7. Jako potenci´aln´ı nebezpeˇcn´ y poruchov´ y mechanismus byla pomoc´ı simulac´ı identifikov´ana dif´ uze donor˚ u z katody smˇerem k anodˇe. Byla simulov´ ana dioda, v n´ıˇz koncentrace donor˚ u difundovan´ ych z katody line´ arnˇe kles´ a se vzd´ alenost´ı x od rozhran´ı katoda-aktivn´ı oblast (x = 0 nm) aˇz k nulov´e koncentraci na konci aktivn´ı oblasti (x = 60 nm). Poˇc´ ateˇcn´ı koncentrace donor˚ u na zaˇc´ atku aktivn´ı oblasti (x = 0+) byla volena v rozsahu 1 aˇz 1015 na cm3 .

18

A

x

p-GaN

170 nm, NA = 2 × 1019 cm−3

6×2 nm i-Ga0,9 In0,1 N 5×8 nm } p-GaN, N = 1016 cm−3 A 2×4 nm 0

ND

n-GaN

6,3 µm, ND = 5 × 1017 cm−3

K Obr´ azek 7: Struktura simulovan´e LED, vlevo prostorov´a z´avislost koncentrace dopant˚ u.

10

Ifvrel [–]

8 6 4 2

0

5

10

log ND |x=0+ [cm

15 −3

]

Obr´ azek 8: Zmˇena citlivosti LED na svˇetlo pˇri dif´ uzi dopant˚ u.

V´ ysledky simulac´ı shrnuje graf na obr´ azku 8, v nˇemˇz je z´avislost relativn´ıho fotoproudu (citlivosti na svˇetlo) oproti bezporuchov´emu stavu na koncentraci difundovan´ ych dopant˚ u pˇri konstantn´ım osvˇetlen´ı o intenzitˇe 100 mW/cm2 a vlnov´e d´elce dopadaj´ıc´ıho svˇetla 425 nm. Z grafu 8 je patrn´e, ˇze citlivost LED na svˇetlo pˇri vyˇsˇs´ı koncentraci difun19

dovan´ ych dopant˚ u v´ yraznˇe vzroste. Pokud takovou poruchu budeme povaˇzovat za moˇznou, coˇz je ve shodˇe s v´ ysledky Sung-Nama et al. [40], nen´ı splnˇena pracovn´ı hypot´eza 7, ˇze uvaˇzovan´ a porucha se projev´ı jako detekovan´e sn´ıˇzen´ı sv´ıtivosti sv´ıtilny. Vlastn´ı mˇeˇren´ı vlivu degradace na citlivost LED na svˇetlo, proveden´e na mal´em vzorku LED (viz obr´ azek 6) ukazuj´ı, ˇze opotˇreben´ı LED u tohoto vzorku vedlo sp´ıˇse k mal´emu poklesu citlivosti na svˇetlo, neˇz k jej´ımu vzr˚ ustu. Pro praktick´e pouˇzit´ı m´ a neplatnost hypot´ezy 7 ten d˚ usledek, ˇze pˇri konstrukci n´ ahrady ˇz´ arovky je nezbytn´e vylouˇcit nebezpeˇc´ı plynouc´ı z postupn´eho zvyˇsov´ an´ı citlivosti LED na svˇetlo, kter´e by vyrovnalo postupn´ yu ´bytek sv´ıtivosti LED pˇri konstantn´ım proudu.

5.4.4

Poruchy nap´ ajec´ıho mˇ eniˇ ce

Navrhovan´ y zp˚ usob detekce sv´ıcen´ı LED spoˇc´ıv´ a ve stˇr´ıdav´em rozsvˇecen´ı LED a kvantifikaci fotoproudu, vyvolan´eho sv´ıcen´ım sv´ıt´ıc´ı LED v nesv´ıt´ıc´ı LED. K realizaci toho principu mus´ı b´ yt LED nap´ ajeny takov´ ymi zdroji, kter´e zajist´ı, ˇze v ˇcase, kdy pˇr´ısluˇsn´ a LED nem´ a sv´ıtit, nedojde k tomu, ˇze by z tohoto zdroje tekl faleˇsn´ y proud, kter´ y by ˇc´ asteˇcnˇe nebo u ´plnˇe nahradil fotoproud, jenˇz m´ a b´ yt detekov´ an v detekˇcn´ım obvodu a ani v poruchov´em stavu nap´ajec´ıho zdroje. Zdroje proudu pro LED obvykle vyuˇz´ıvaj´ı v´ ystupn´ı kondenz´ator, kter´ y nap´ aj´ı LED v t´e ˇc´ asti sp´ınac´ıho cyklu, kdy se v pracovn´ı indukˇcnosti akumuluje energie. Pˇri pouˇzit´ı transimpedanˇcn´ıho pˇrevodn´ıku se zpˇetnovazebn´ım odporem v ˇr´ adu stovek kiloohm˚ u aˇz megaohm˚ u je pˇri obvykl´e kapacitˇe v´ ystupn´ıho kondenz´ atoru v ˇr´ adu stovek nanofarad˚ u aˇz des´ıtek mikrofarad˚ u ˇcasov´a konstanta τ = RC t´eto dvojice ˇcin´ı desetiny aˇz des´ıtky sekund, coˇz je doba nepˇrijatelnˇe dlouh´ a, nebot’ kontroln´ı obvod sv´ıcen´ı mus´ı po zhasnut´ı LED zaˇc´ıt pracovat v dobˇe v´ yraznˇe kratˇs´ı neˇz 10 ms. T´ım jsou vylouˇceny vˇsechny mˇeniˇce, kter´e ke sv´e funkci vyˇzaduj´ı v´ ystupn´ı kondenz´ ator. Topologie mˇeniˇc˚ u, kter´e vyhovuj´ı t´eto podm´ınce v bezporuchov´em stavu, jsou dvˇe: propustn´ y sniˇzuj´ıc´ı mˇeniˇc (buck) a invertuj´ıc´ı (inverting buck-boost). Na obr´ azku 9 je uk´ az´ ano, ˇze svod drain-source sp´ınac´ıho tranzistoru sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce pr´ avˇe k vede k situaci, kter´ a mus´ı b´ yt podle pˇredchoz´ıho odstavce vylouˇcena. Modˇre je naznaˇcena cesta odpov´ıdaj´ıc´ı korektn´ımu fotoproudu, ˇcervenˇe cesta odpov´ıdaj´ıc´ı poruchov´emu proudu pˇri svodu sp´ınac´ıho tranzistoru. 20

RF

−

L

out

T +

Obr´ azek 9: Nebezpeˇcn´ a porucha sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce nap´ajej´ıc´ıho LED.

Poˇzadavku, aby nap´ ajec´ı mˇeniˇc nedod´ aval faleˇsn´ y fotoproud vyhovuje invertuj´ıc´ı mˇeniˇc, jehoˇz topologie je na obr´ azku 10. Obr´acen´ı polarity LED a pˇr´ısluˇsej´ıc´ı usmˇerˇ novac´ı diody m´ a za n´ asledek,ˇze fotoproud vznikaj´ıc´ı v LED m´ a opaˇcn´ y smˇer a v´ ystupn´ı napˇet´ı zesilovaˇce je kladn´e. Pˇr´ıpadn´ y svodov´ y proud tranzistoru T je sveden c´ıvkou L na z´ aporn´ y p´ol nap´ajec´ıho zdroje a nem˚ uˇze z´ avˇernˇe polarizovanou diodou proniknout na zpˇetnovazebn´ı rezistor. Dalˇs´ı vlastnost´ı tohoto zapojen´ı je skuteˇcnost, ˇze v kombinaci se vstupn´ım usmˇerˇ novaˇcem (kter´ y je na obr´ azku idealizov´ an napˇet’ov´ ym zdrojem) nem˚ uˇze doj´ıt k samovoln´emu ozsv´ıcen´ı LED pˇri v´ yskytu indukovan´ ych ruˇsiv´ ych napˇet´ı na nap´ ajec´ım veden´ı, na nˇeˇz upozornil Doubek ve sv´em pˇr´ıspˇevku [6], protoˇze LED a dioda vstupn´ıho usmˇerˇ novaˇce jsou polarizov´any v opaˇcn´em smˇeru a bez aktivn´ıho sp´ın´ an´ı tranzistoru T se LED nem˚ uˇze samovolnˇe rozsv´ıtit.

RF

−

out

T +

L

Obr´ azek 10: Invertuj´ıc´ı mˇeniˇc pro nap´ajen´ı LED.

21

5.4.5

N´ avˇ estn´ı fantom

Tato podˇc´ ast analyzuje vliv v´ ymˇeny n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky za n´ahradu se sv´ıtiv´ ymi diodami popsan´e v ˇc´ asti 5.1 na n´ avˇestn´ı fantom. N´avˇestn´ı fantom je jev, pˇri nˇemˇz doch´ az´ı k odrazu svˇetla dopadaj´ıc´ıho na sv´ıtilnu smˇerem ke strojvedouc´ımu, u nˇehoˇz vznik´ a faleˇsn´ y dojem sv´ıcen´ı n´ avˇestn´ı sv´ıtilny. N´avˇestn´ı fantom je nebezpeˇcn´ y pˇredevˇs´ım u sv´ıtilen s povoluj´ıc´ım v´ yznamem (zelen´a, ˇzlut´ a, b´ıl´ a). Jak je patrno z pˇredchoz´ıho vysvˇetlen´ı, n´avˇestn´ı fantom je jev, kdy doch´ az´ı vlivem svˇeteln´eho zdroje mimo n´ avˇestn´ı sv´ıtilnu ke zmˇenˇe informace ˇ arovka ve sv´ıtilnˇe nesv´ıt´ı a strojvedouc´ı bˇehen pˇrenosu do oka strojvedouc´ıho. Z´ vid´ı, ˇze sv´ıtilna sv´ıt´ı. Na pˇrenos informace o sv´ıcen´ı z klasick´e ˇz´arovkov´e sv´ıtilny do ˇr´ıdic´ı logiky zabezpeˇcovac´ıho zaˇr´ızen´ı, realizovan´e prostˇrednictv´ım z´avislosti mezi sv´ıtivost´ı ˇz´ arovky a stavem svˇeteln´eho rel´e nem´a n´avˇestn´ı fantom z principi´ aln´ıch d˚ uvod˚ u vliv. Protoˇze k ovlivnˇen´ı mezi ciz´ım svˇeteln´ ym zdrojem a svˇeteln´ ym rel´e nebo jeho funkˇcn´ı n´ ahradou nedoch´az´ı, neexistuje v odborn´e terminologii ani odpov´ıdaj´ıc´ı pojem a autor se pˇri diskuz´ıch t´ ykaj´ıc´ıch se problematiky dohledu sv´ıcen´ı n´ avˇestidel setkal i s pouˇzit´ım pojmu fantomn´ı osvˇetlen´ı ve smyslu faleˇsn´eho ovlivnˇen´ı ciz´ım svˇeteln´ ym zdrojem, jak je zkoum´ano v ˇc´asti 5.4.1. Relativn´ı zmˇena velikosti n´ avˇestn´ıho fantomu Afantom pˇri v´ ymˇenˇe ˇz´arovky za n´ ahradu je Rn´ahrady Afantom = . (18) Rˇz´arovky Rn´ahrady a R ˇz´arovky jsou pˇr´ısluˇsn´e odrazivosti. Pˇri indexech lomu baˇ nky ˇz´arovky 1,50 a kryc´ı destiˇcky 1,48 je Afantom = 0,92, coˇz znamen´a, ˇze n´ahrada oproti ˇza´rovce sn´ıˇz´ı n´ avˇestn´ı fantom o osm procent. T´ım je prok´az´ana platnost pracovn´ı hypot´ezy 8.

6

Z´ avˇ er

Vˇsechny pracovn´ı hypot´ezy, formulovan´e v u ´vodn´ı ˇc´ asti, byly ovˇeˇreny a t´ım bylo prok´ az´ ano, ˇze vyuˇzit´ı fotoelektrick´eho dohledu sv´ıtiv´ ych diod v ˇzelezniˇcn´ıch n´ avˇestidlech je moˇzn´e. Byl navrˇzen pˇrevodn´ık fotoproudu na napˇet´ı, kter´ y m˚ uˇze slouˇzit jako rozhran´ı mezi sv´ıtiv´ ymi diodami a obvodem zprostˇredkuj´ıc´ım bezpeˇcn´ y pˇrenos informace o sv´ıcen´ı sv´ıtilny do stavˇedla.

6.1

Vlastn´ı pˇ r´ınos disertaˇ cn´ı pr´ ace

Hlavn´ım pˇr´ınosem disertaˇcn´ı pr´ ace je nov´ y zp˚ usob dohledu funkce sv´ıtiv´ ych diod, kter´ y je plnˇe deduktivn´ı, tedy odvozuje informaci o sv´ıcen´ı diody z pˇr´ıtomnosti jev˚ u, kter´e jsou d˚ usledkem toho, ˇze dioda skuteˇcnˇe sv´ıt´ı. T´ım se v´ yraznˇe odliˇsuje od dosavadn´ıch, ˇs´ıˇreji pouˇz´ıvan´ ych pˇr´ıstup˚ u, kter´e jsou induktivn´ı, a informaci o sv´ıcen´ı diody odvozuj´ı z pˇr´ıtomnosti jev˚ u, kter´e sv´ıcen´ı diody 22

pouze doprov´ azej´ı. Dalˇs´ım pˇr´ınosem navrˇzen´eho dohledu je to, ˇze umoˇzn ˇuje konstruovat n´ avˇestn´ı sv´ıtilny bez redundantn´ıho svˇeteln´eho toku a bez dalˇs´ıch souˇc´ astek k detekci svˇetla, tedy u ´spornˇejˇs´ı. Vedlejˇs´ımi pˇr´ınosy jsou kritick´e zhodnocen´ı st´ avaj´ıc´ı techniky kontroly LED prostˇrednictv´ım pˇredn´ıho napˇet´ı pˇri konstantn´ım proudu, kter´ y byl u mal´eho poˇctu LED v jedn´e sv´ıtilnˇe vyhodnocen jako nedostateˇcnˇe bezpeˇcn´ y a s t´ım souvisej´ıc´ı n´avrh v´ıcebodov´e kontroly LED pˇri nap´ ajen´ı zvlnˇen´ ym proudem.

6.2

Doporuˇ cen´ı pro pˇ r´ıpadn´ y dalˇ s´ı postup v b´ ad´ an´ı

Pˇri zkoum´ an´ı vlivu teploty na funkci relaxaˇcn´ıho oscil´atoru bylo zjiˇstˇeno, ˇze ve sv´ıtiv´e diodˇe se pˇri zv´ yˇsen´e teplotˇe projev´ı dalˇs´ı parazitn´ı prvky. Jejich vliv na vlastn´ı funkci sv´ıtiv´e diody i na funkci navrˇzen´eho dohl´ıˇzec´ıho obvodu s transimpedanˇcn´ım zesilovaˇcem je zanedbateln´ y, pˇresto by bylo vhodn´e hloubˇeji prozkoumat jejich vznik a vlastnosti. Dalˇs´ım oˇcek´avan´ ym krokem je vyvinut´ı n´ ahrady n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky vyuˇz´ıvaj´ıc´ı navrˇzen´e kontroly funkce sv´ıcen´ı.

6.3

Shrnut´ı podstatn´ ych v´ ysledk˚ u b´ ad´ an´ı

Disertaˇcn´ı pr´ ace prokazuje existenci fotoelektrick´eho jevu ve sv´ıtiv´ ych diod´ach a navrhuje jeho vyuˇzit´ı pro kontrolu funkce sv´ıtiv´ ych diod v n´ahradˇe n´avˇestn´ı ˇz´ arovky, kde z prostorov´ ych d˚ uvod˚ u nem˚ uˇze b´ yt uplatnˇena redundance sv´ıtiv´ ych diod. Ukazuje, ˇze nejvhodnˇejˇs´ı mˇeˇritelnou veliˇcinou je fotoproud a dokazuje, ˇze vˇsechny uvaˇzovan´e poruchy se projevuj´ı bezpeˇcnˇejˇs´ım smˇerem, jako pokles sv´ıtivosti sv´ıtilny. D´ ale je prok´ az´ ano, ˇze navrˇzen´ y zp˚ usob nen´ı nebezpeˇcnˇe ovlivnˇen ani ciz´ım osvˇetlen´ım, ani kol´ıs´ an´ım teploty. D´ale bylo zjiˇstˇeno, ˇze navrˇzen´ y zp˚ usob m˚ uˇze b´ yt nebezpeˇcnˇe ovlivnˇen dif´ uz´ı dopant˚ u ve struktuˇre LED.

7

Publikace a dalˇ s´ı odborn´ aˇ cinnost autora

7.1

Seznam publikovan´ ych prac´ı

• Koneˇcn´ y, I.; Hlouˇsek, P.; Poucha, J.: Koncept bezpeˇcnosti bezpeˇcn´eho ” elektrooptick´eho dohl´ıˇzec´ıho obvodu ˇzelezniˇcn´ıho n´avˇestidla s v´ ykonov´ ymi sv´ıtiv´ ymi diodami“, In K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe VII, Plzeˇ n 22. kvˇetna 2012. •

Use of inherent physical properties of LED for their safe monitoring in ” railway signaling“, In Applied Electronics, Plzeˇ n, 5.–7. z´aˇr´ı 2012, Z´apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, ISSN 1803-7232, ISBN 978-80-261-0038-6,

•

Single LED failure detection using I-V characteristic slope in railway sig” nals“, In Applied Electronics 2013, Plzeˇ n, 10.–12. z´aˇr´ı 2013, Z´apadoˇcesk´a univerzita v Plzni, ISSN 1803-7232, ISBN 978-80-261-0166-6. 23

•

Vyuˇzit´ı PC jako PLC“, In Elektrotechnika a informatika, Neˇctiny, Z´apa” doˇcesk´ a univerzita v Plzni, 4. a 5. listopadu 2009, s. 95–96, ISBN 978-807043-809-1.

•

Multitasking na Baseline mikroˇradiˇc´ıch PIC“, In Elektrotechnika a infor” matika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, 3. a 4. listopadu 2010, s. 105–108, ISBN 978-80-7043-914-2.

•

Koncepce ˇzelezniˇcn´ıho svˇeteln´eho n´ avˇestidla s LED“, In Elektrotechnika ” a informatika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, 2. a 3. listopadu 2011, s. 87–88, ISBN 978-80-261-0015-7.

•

Vstupn´ı mˇeniˇc pro n´ ahradu n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky s LED“, In: Elektrotech” nika a informatika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, 7. a 8. listopadu 2012, s. 91–92.

•

Vstupn´ı mˇeniˇc pro n´ ahradu n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky s LED (II)“, In Elektronika ” a informatika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, 6. a 7. listopadu 2013, 978-80-261-0232-8, s. 77–80.

• Chov´ an´ı LED jako dvojice vys´ılaˇc — pˇrij´ımaˇc, intern´ı publikace KAE FEL, 8 s., Plzeˇ n, 2010. • Koncept bezpeˇcnosti LED ˇz´ arovky, 12 s., intern´ı publikace KAE FEL, Plzeˇ n, 2011.

7.2

Dalˇ s´ı ˇ cinnost autora v oblasti elektrotechniky

• oponent jedn´e kvalifikaˇcn´ı pr´ ace na Fakultˇe elektrotechnick´e Z´apadoˇcesk´e univerzity v Plzni, • vedouc´ı ˇctyˇr kvalifikaˇcn´ıch prac´ı tamt´eˇz, • autor ˇr´ıdic´ıho software pro CNC ˇrezac´ı st˚ ul Delta, • autor testovac´ıho pˇr´ıstroje pro testov´ an´ı elektromagnet˚ u ˇzak´arsk´ ych ˇradˇen´ı, • zvan´e pˇredn´ aˇsky v d´elce 90 minut na t´ema v´ yroba a distribuce elektˇriny“ ” ˇ na Z´ akladn´ı ˇskole ve Velk´em Senovˇ e (2000–2007).

24

Resum´ e

Disertaˇcn´ı pr´ ace se zab´ yv´ a uˇzit´ım vysoce v´ ykonn´ ych sv´ıtiv´ ych diod ve svˇeteln´ ych n´ avˇestidlech pro ˇr´ızen´ı ˇzelezniˇcn´ı dopravy. Prvotn´ım c´ılem pr´ace je prozkoumat moˇznosti vyuˇzit´ı fotoelektrick´eho jevu v tˇechto diod´ach k jejich vz´ajemn´emu dohledu pˇri pouˇzit´ı v n´ avˇestn´ı sv´ıtilnˇe, urˇcen´e pro klasickou n´avˇestn´ı ˇz´arovku, kde nen´ı moˇzn´e k dosaˇzen´ı poˇzadovan´e u ´rovnˇe integrity bezpeˇcnosti pouˇz´ıt prost´eho zv´ yˇsen´ı poˇctu sv´ıt´ıc´ıch diod z toho d˚ uvodu, ˇze do prostoru odpov´ıdaj´ıc´ıho vl´ aknu ˇz´ arovky se jich dostateˇcn´ y poˇcet nevejde. V pr´ aci je teoreticky prok´ az´ ano a mˇeˇren´ım na skuteˇcn´e sv´ıtiv´e diodˇe ovˇeˇreno, ˇze obvykle pouˇz´ıvan´ y zp˚ usob dohledu funkce sv´ıtiv´ ych diod pomoc´ı sledov´an´ı pˇredn´ıho napˇet´ı pˇri konstantn´ım proudu m˚ uˇze v nˇekter´ ych poruchov´ ych stavech pod´ avat faleˇsnˇe pozitivn´ı informaci o bezporuchov´em sv´ıcen´ı, coˇz je u n´avˇest´ı s omezuj´ıc´ım v´ yznamem potenci´ alnˇe nebezpeˇcn´ y a z hlediska zabezpeˇcovac´ı techniky nepˇr´ıpustn´ y stav. Jako nov´e a bezpeˇcnˇejˇs´ı ˇreˇsen´ı pˇr´ım´eho optick´eho dohledu je navrˇzeno vyuˇz´ıt fotoelektrick´ y jev, k nˇemuˇz doch´az´ı pˇri osv´ıcen´ı sv´ıtiv´e diody. Je uk´ az´ ano, ˇze k vz´ ajemn´e optick´e vazbˇe sv´ıtiv´ ych diod v n´avˇestn´ı sv´ıtilnˇe lze vyuˇz´ıt optick´e prvky, kter´e ve sv´ıtilnˇe musej´ı b´ yt pˇr´ıtomny z konstrukˇcn´ıch d˚ uvod˚ u a ˇze touto optickou vazbou se nesn´ıˇz´ı svˇeteln´a u ´ˇcinnost sv´ıtilny oproti stavu, v nˇemˇz by fotoelektrick´eho jevu vyuˇzito nebylo. D´ale je zkoum´ ana z´ avislost elektricky mˇeˇriteln´ ych veliˇcin na svˇeteln´em toku sv´ıtilny a vliv vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı ˇci pˇr´ıpadn´ ych poruch sv´ıtiv´e diody na tyto veliˇciny. Jako optim´ aln´ı mˇeˇriteln´ a veliˇcina je vybr´ an fotoproud a navrˇzen pˇrevodn´ık s dvojit´ ym napˇet’ov´ ym v´ ystupem, urˇcen´ y prim´ arnˇe pro pˇripojen´ı k mikrokontrol´eru, zajiˇst’uj´ıc´ımu bezpeˇcn´e vyhodnocen´ı sv´ıcen´ı sv´ıtiv´e diody, vyhodnocen´ı spr´ avn´e funkce pˇrevodn´ıku a bezpeˇcn´ y pˇrenos informace o sv´ıcen´ı sv´ıtilny do stavˇedla. Z´ aroveˇ n s n´ avrhem detekˇcn´ıho obvodu je provedena anal´ yza vlivu moˇzn´ ych poruch nap´ ajec´ıho obvodu sv´ıtiv´e diody a je navrˇzeno pouˇzit´ı invertuj´ıc´ıho nap´ ajec´ıho mˇeniˇc, kter´ y detekˇcn´ı obvod nebezpeˇcnˇe ovlivnit nem˚ uˇze a to pˇr´ımo z pˇr´ıˇciny sv´e topologie. Nakonec jsou zkoum´ any faktory, u nichˇz lze pˇredpokl´adat moˇzn´e nebezpeˇcn´e ovlivnˇen´ı zam´ yˇslen´eho pouˇzit´ı sv´ıtiv´ ych diod: vnˇejˇs´ı ˇcinitel´e jako n´avˇestn´ı fantom a vnˇejˇs´ı osvˇetlen´ı pronikaj´ıc´ı do sv´ıtilny. U obou je prok´az´ano, ˇze k nebezpeˇcn´emu ovlivnˇen´ı nedoch´ az´ı. Jako potenci´ alnˇe nebezpeˇcn´e vnitˇrn´ı ˇcinitele jsou identifikov´ any postupn´ a pomal´ a degradace sv´ıtiv´ ych diod, kter´a se sice na fotoelektrick´em jevu neprojev´ı, ale znemoˇzn ˇuje nahl´ıˇzet na navrˇzen´e zapojen´ı jako na dvoukan´ alovou redundantn´ı strukturu. Simulace z´avaˇzn´ ych degradac´ı zp˚ usoben´ ych dif´ uz´ı dopant˚ u ve struktuˇre sv´ıtiv´e diody uk´azaly, ˇze nebezpeˇcnou poruchu, spoˇc´ıvaj´ıc´ı ve zv´ yˇsen´ı citlivosti sv´ıtiv´e diody na svˇetlo, nelze bez bliˇzˇs´ı znalosti skuteˇcn´e vnitˇrn´ı struktury diody vylouˇcit. 25

Resume The dissertation deals with the use of high-performance LEDs in light signals for railway traffic control. The primary objective of this work is to explore the possibilities of using photoelectric effect in these diodes to their mutual supervision when used in signal lanterns, designed for classical incandescent signal lamp, where it is not possible to achieve the required safety integrity level by simple increase in the number of LEDs on the grounds that the space corresponding lamp filament is not fit enough of them. The work theoretically proves and measuring the actual light-emitting diode verifies that the commonly used surveillance method based on monitoring the LED’s front voltage at constant current may in some fault conditions give falsely positive information about the fault-free light, which is for aspects with restrictive meaning potentially dangerous and in terms of railway interlocking inadmissible condition. As a new and safer solutions direct optical surveillance is designed to take advantage of the photoelectric effect, which occurs when light-emitting diode is illuminated. It is shown that the mutual optical coupling of light emitting diodes in the signal lantern can use optical elements in the lamp must be present for structural reasons and that this will not reduce the optical extraction efficiency of the lighting lamps compared to the situation in which the photoelectric effect would not be used. It is also investigated the dependence of electrically measurable quantities to the lamp luminous flux and the influence of the external environment or possible failures LEDs on these quantities. As the optimal measurable quantity, photocurrent is chosen, and it is designed its converter with dual voltage output, intended primarily for connection to a microcontroller providing safe evaluation of lighting LEDs, evaluate proper function of the converter and safe transmission of information about lighting lanterns in an interlocking. Along with the design of the detection circuit is analyzed the influence of possible disturbances of the power circuit LEDs and is designed to use the power inverting converter which can not dangerously affect the detection circuit. Finally, the factors investigated, which can be expected can be dangerous influence of the intended use of light-emitting diodes: external factors such as phantom aspect and external lighting penetrating into the lantern. For both it is shown that no dangerous influence there. A potentially dangerous internal factors are identified slow gradual degradation of light-emitting diodes, which, although not reflected on the photoelectric effect, but impossible to look at the proposed involvement as a two-channel redundant structure. Simulation serious degradation caused by diffusion of dopants in the structure of light-emitting diodes have shown that a dangerous failure, by increasing the sensitivity of LEDs to light, can not, without more knowledge of the actual internal structure of the diodes excluded.

26

Literatura [1] Bent, S., Moloney A., Farrell,G.: LEDs as both Optical Sources and Detectors in Bidirectional Plastic Optical Fibre Links; In: Irish Signals and ´ Systems Conference, Dublin Institute of Technology, Baile Atha Cliath, 28.–30. ˇcervna 2006. [2] Cujii, S.:Classification of Defects in Polycrystalline Si by Temperature Dependence of Electroluminescence under Forward and Reverse-biases, In Photovoltaic Specialists Conference, 2010,ISBN: 978-1-4244-5890-5, DOI: 10.1109/PVSC.2010.5616516. [3] Bulaˇseviˇc, K. A., Karpov, S. Ju.: Is Auger recombination responsible ” for the efficiency rollover in III-nitride light-emitting diodes?“ Phys. stat. solidi 5, No. 6, 2066–2069 (2008), DOI: 10.1002/pssc.200778414 [4] Dietz, P., Yerazunis, W., Leigh, D.: Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs; Mitsubishi electric research laboratories; 2003; URL: . ˇ Praha, ˇc. 4, s. 46–49, prosinec [5] Doubek, P.: Sv´ıtilna LLA-1“, Report´er AZD ” ˇ 2012, AZD, Praha. [6] Doubek, P.: Sv´ıtilna LLA-2“, K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı tech” niky v dopravˇe IX., 21. kvˇetna,2014, Plzeˇ n. [7] Frank, H.:Fyzika a technika polovodiˇc˚ u, SNTL, Praha, 1990. [8] Gvritiˇsvili, R., Simonov´ a, L., Strnadel, J.: Variation of electroluminiscent emission of solar cells in a wide temperature range, FEEC VUT, Brno, URL: , [cit. 13.XI. 2012]. [9] Hallereau, S.:Reverse costing analysis. Philips Lumileds Luxeon Rebel 100lm CW,verze 1, Nantes, System Plus Consulting, 2011. ˇ ´ Z, ˇ Praha, 2005. [10] Chud´ aˇcek, V. et al.: Zelezniˇ cn´ı zabezpeˇcovac´ı technika, VU [11] Kasten, F., Young, A. T.: Revised optical air mass tables and approxi” mation formula,“ Applied Optics 28:4735–4738,1989. [12] Kadeˇr´ avkov´ a, L., et al.: Dopravn´ı svˇeteln´ a n´ avˇestidla, Nakladatelstv´ı dopravy a spoj˚ u, Praha,1986. [13] Koneˇcn´ y, I.: Pˇrehled vlastnost´ı vysoce sv´ıtiv´ ych diod a moˇznost´ı je” jich vyuˇzit´ı v ˇzelezniˇcn´ı n´ avˇestn´ı optice“, In:K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe II, Plzeˇ n 22. V. 2007. 27

[14] Koneˇcn´ y, I.; Hlouˇsek, P.; Poucha, J.: Koncept bezpeˇcnosti bezpeˇcn´eho ” elektrooptick´eho dohl´ıˇzec´ıho obvodu ˇzelezniˇcn´ıho n´avˇestidla s v´ ykonov´ ymi sv´ıtiv´ ymi diodami“, In:K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe VII, Plzeˇ n 22. V. 2012. [15] Lawnik, Ch., Sch¨ utz, K., Zimmermann, D.: LED-Mehrfachsignalgeber f¨ ur ” Lichtsignale“,Signal und Draht, roˇc. 105, ˇc. 9, s. 6–9, z´aˇr´ı 2013, Eurailpress, Hamburg. [16] Li, P. et al.: Light emitting diode fault detection using p-n junction photovoltaic effect, Review of Scientific Instruments, vol. 80, no. 5, pp. 055108– 055108-7, kvˇeten 2009. [17] Machytka, V.: Zabezpeˇcov´ an´ı vlakov´e dopravy, I. L. Kober, Praha, 1938. [18] Maty´ aˇs, M.: Degradace zelen´ych GaP elektroluminiscenˇcn´ıch diod, kan´ ˇ did´ atsk´ a disertaˇcn´ı pr´ ace, URE CSAV, Praha, 1983. [19] Miˇska, V.: LED sv´ıtilna v´ ystraˇzn´ıku PVL101, PVL102.“ In: K aktu´ aln´ım ” probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe IV, Plzeˇ n, 27. V. 2009. [20] Narendan, N. et al.: Solid state lighting: Failure analysis of white LEDs, J. of crystal growth, sv. 268, 4. 3-4, s. 449–456, 2004. ˇ Porovnanie svietivosti v´ykonov´ych LED so svietivost’ou [21] N´emeth, S.: ˇ ˇziaroviek v optike n´ avestn´eho lamp´ aˇsa AZD70,[nepublikov´ ano], Betamont, Zvolen, 2012. [22] Peiser, S. LED-Technologie in der Signaltechnik — Herausforderung f¨ ur ” die Produktstrategie“. Signal u. Draht, roˇc. 103 ˇc. 6, s. 16–21, ˇcerven 2011, Eurailpress, Hamburg. [23] Pol´ıvka , V.: Vyhodnocen´ı u ´drˇzby zabezpeˇcovac´ıho zaˇr´ızen´ı s ohledem na plnˇen´ı poˇzadavk˚ u RAMS, bakal´ aˇrsk´ a pr´ ace,Univerzita Pardubice Dopravn´ı fakulta Jana Pernera, Pardubice, 2009. [24] Poucha, J.: Use of inherent physical properties of LED for their safe ” monitoring in railway signaling“, In Applied Electronics, Plzeˇ n, 5.–7. z´aˇr´ı 2012, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, ISSN 1803-7232. [25] Poucha, J.: Single LED failure detection using I-V characteristic slope ” in railway signals“, In Applied Electronics 2013, Plzeˇ n, 10.–12. z´aˇr´ı 2013, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, ISSN 1803-7232, ISBN 978-80-261-0166-6. [26] Poucha, J.: P´ısemn´ a pr´ ace ke st´ atn´ı doktorsk´e zkouˇsce v oboru Elektronika, Z´ apadoˇcesk´ a univerzita v Plzni, 2012. 28

[27] Poucha, J.: Vstupn´ı mˇeniˇc pro n´ ahradu n´avˇestn´ı ˇz´arovky s LED“, In ” Elektronika a informatika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´a univerzita v Plzni, 7. a 8. listopadu 2012, 978-80-261-0119-2, s. 117–118. [28] Poucha, J.: Vstupn´ı mˇeniˇc pro n´ ahradu n´ avˇestn´ı ˇz´arovky s LED (II)“, In ” Elektronika a informatika, Neˇctiny, Z´ apadoˇcesk´a univerzita v Plzni, 6. a 7. listopadu 2013, 978-80-261-0232-8, s. 77–80. [29] Poucha, J.: Program pro ˇr´ızen´ı mˇeniˇce s LED,[ydrojov´ y k´od, online, cit. 20. 3. 2013], URL:. [30] Sang-Heon, H. et al.:Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes, Applied physics letters 94, 231123 ,2009, DOI: 10.1063/1.3153508. [31] Shah,J. M., Li, Y. L., Gessmann, Th., Schubert, E. F.: Experimental analysis and theoretical model for anomalously high ideality factors (n 2.0) in AlGaN/GaN p-n junction diodes. J. Appl. Phys. 94, 2627, 2003, URL:. [32] Shen, Y. C. et al: Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence, Appl. Phys. Lett. 91, 141101, 2007, URL: < http://dx.doi.org/10.1063/1.2785135.> [33] Schubert, E. F.: Light-Emitting diodes, 2nd ed. Brit´ anie: Cambridge University Press, 2006.

Cambridge, Velk´a

ˇ al, P.: Problematika pˇr´ım´e n´ [34] St´ ahrady n´avˇestn´ıch ˇz´arovek v´ ykonov´ ymi ” sv´ıtiv´ ymi diodami,“ In K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe III, Plzeˇ n, 2008. ˇ al, P.: Light Emitting Diodes in Level Crossings.“ In Applied Electronics [35] St´ ” 2008, Plzeˇ n, 2008. s. 199-202. ISBN 978-80-7043-654-7. ˇ al, P.: Uˇzit´ı v´ [36] St´ ykonov´ ych sv´ıtiv´ ych diod v zabezpeˇcovac´ıch syst´emech ” ˇzelezniˇcn´ıch pˇrejezd˚ u,“ In Elektrotechnika a informatika 2008, Plzeˇ n, 2008, s. 113-116. ISBN 978-80-7043-701-8. ˇ al, P.: Problematika n´ [37] St´ ahrady n´ avˇestn´ıch ˇz´arovek v´ ykonov´ ymi sv´ıtiv´ ymi ” diodami ve v´ ystraˇzn´ıc´ıch PZS,“ In K aktu´ aln´ım probl´em˚ um zabezpeˇcovac´ı techniky v dopravˇe IV, Plzeˇ n,2009. ˇ al, P.: N´ [38] St´ ahrada n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky s LED, disertaˇcn´ı pr´ace, KAE FEL ˇ Plzeˇ ZCU, n, 2011. [39] Pelant, I., Valenta, J.: Luminiscenˇcn´ı spektroskopie II., Nanostruktury, elektroluminiscence, stimulovan´ a emise,Academia, Praha, 2010, ISBN 97880-200-1846-5. 29

[40] Sung-Nam, L. et al: Effects of Mg dopant on the degradation of InGaN multiple quantum wells in AlInGaN-based light emitting devices, J Electroceram, 2009, 23:406–409. [41] Vogel, R.: LED signal EU,“ In Medzin´ arodn´ a konferencia ˇzelezniˇcnej ” oznamovacej a zabezpeˇcovacej techniky,X. roˇcn´ık,Vyhn´e, Slovensko, 12.– 14. bˇrezna 2014. [42] Railway applications – Communication, signalling and processing systems – Safety related electronic systems for signalling Norma CENELEC 50 129, 2003. [43] LED signal EU, Dr. techn. J. Zelisko GmbH ,[online, cit. 20. IV. 2012] URL:

ˇ 70, popis produktu, AZD, ˇ [44] Svˇeteln´ a n´ avˇestidla pro ˇzeleznice typ AZD Praha, 2011. ˇ Praha, 2006. [45] Optick´y indik´ ator NDK 1, popis produktu, AZD, ˇ Praha, 2011. [46] N´ avˇestn´ı sv´ıtilna LED, popis produktu, AZD, ˇ Praha, 2011. [47] Promˇenn´y tvarov´y ukazatel PUR, popis produktu, AZD, ˇ e republiky ˇc. 266, ˇc´astka 79, Praha, [48] Z´ akon o drah´ ach,Sb´ırka z´ akon˚ u Cesk´ 1994. ˇ Praha, 1995. [49] Vyhl´ aˇska MD ˇc. 173/1995 Sb.,, Ministerstvo dopravy CR, [50] LED with light-conversion layer, U. S. patent No. 20100117106, 2010. [51] adapting the luminous intensity of an LED based signal lamp, U. S. patent No. US7508317. [52] T100, Provoz zabezpeˇcovac´ıch zaˇr´ızen´ı, Nadas, Praha, 1980. [53] T300, Stanoven´ı rozsahu a organizaci u ´drˇzby sdˇelovac´ıch a zabezpeˇcovac´ıch zaˇr´ızen´ı, [vnitˇrn´ı pˇredpis, datov´e soubory a aplikace pro osobn´ı poˇc´ıtaˇc] Spr´ ava ˇzelezniˇcn´ı dopravn´ı cesty, Praha, 2009. [54] D1 Dopravn´ı a n´ avˇestn´ı pˇredpis, Spr´ ava ˇzelezniˇcn´ı dopravn´ı cesty, Praha, 2012. [55] D1, Pˇredpis pro pouˇz´ıv´ an´ı n´ avˇest´ı pˇri organizov´ an´ı a provozov´ an´ı dr´ aˇzn´ı dopravy, Jerid, Olomouc, 1997, dotisk se zmˇenou ˇc. 3, ˇr´ıjen 2003. ˇ e dr´ [56] Zmˇena pˇredpisu D1 ˇc. 1, Cesk´ ahy, Praha, 1998. [57] D1, N´ avˇestn´ı pˇredpisy, Dopravn´ı nakladatelstv´ı, Praha, 1960. 30

[58] D1, N´ avˇestn´ı pˇredpisy, Dopravn´ı nakladatelstv´ı, Praha,1960, [Zapracov´any zmˇeny do roku 1971 vˇcetnˇe]. [59] D1, N´ avˇestn´ı pˇredpisy, Dopravn´ı nakladatelstv´ı, Praha, 1954. ˇ [60] XXII. N´ avˇestn´ı pˇredpisy, Ceskoslovensk´ e st´atn´ı dr´ahy, Praha, 1920. ˇ ˇ 34 2610, [61] Zelezniˇ cn´ı svˇeteln´ a n´ avˇestidla, Technick´ a norma ˇzeleznic TNZ ´ ˇ Ustˇredn´ı ˇreditelstv´ı CSD, Praha, 1992. ´ redn´ı vˇestn´ık Evropsk´e unie L. 76, [62] Naˇr´ızen´ı Komise (ES) ˇc. 244/2009, Uˇ Brusel, 2009. ˇarovky konˇc´ı, mˇesta a obce ˇcek´ [63] Z´ a v´ymˇena semafor˚ u, ˇ Praha, 2009. tiskov´ a zpr´ ava, AZD, [64] Microelectronic relay Designer’s manual, International Rectifier, El Segundo, California1990. [65] Evaluating the lifetime behavior of LED systems, Philips Lumileds,[online, cit. 9. V. 2012], URL:

[66] BPW 21, [katalogov´ y list], Siemens semiconductor group, 1998. [67] LUXEON Rebel General purpose White Porfolio Datasheet DS68 20121212, Philips Lumileds, San Jose, Kalifornie 2012. [68] LUXEON Rebel Color Porfolio Datasheet DS68 20121219, Philips Lumileds, San Jose, Kalifornie 2012. [69] Narva signalizaˇcn´ı a n´ avˇestn´ı ˇz´ arovky, NBB Bohemia, Beneˇsov nad Plouˇcnic´ı, 2010. [70] Koncepce bezpeˇcnosti pro v´ystraˇzn´ık PZS se svˇeteln´ym zdrojem na b´ azi terˇce s matic´ı ˇcervenˇe sv´ıt´ıc´ıch diod LED, Betamont, Zvolen, 2005. [71] Signalguard LDK 1500, [popis produktu], Siemens Schweiz, Wallisellen, 2009. [72] LED Signalling Handbook, [produktov´ a pˇr´ıruˇcka], Unipart Dorman, Southport, Velk´ a Brit´ anie, 2012. [73] FieldTrac 6335 Multicolour LED Signal, [popis produktu], Thales Transportation Systems, Stuttgart, Nˇemecko, 2012. [74] Signal products, [popis produkt˚ u], Alstom signaling, West Henrietta, New York, 2011, 160 s. 31

[75] Specification for LED Signal aspects (Main Signal) for Railway Applications, Areca embedded systems, Cherlapally, Indie, 2011. [76] Certificate of acceptance PA05/03007, Network Rail, London, Velk´a Brit´ anie,2013. [77] Peiser, S. LED-Technologie in der Signaltechnik — Herausforderung f¨ ur ” die Produktstrategie“. Signal u. Draht, sv. 103 ˇc. 6, s. 16–21, ˇcerven 2011. [78] UIC Leaflet 732, Principles for signalling trains routes using wayside signals, 3. vyd´ an´ı, UIC, Paris, 2002, ISBN 2-7461-0423-7. [79] LUXEON Rebel and LUXEON Rebel ES, technical datasheet 68, [katalogov´ y list], 20130718, Philips Lumileds, 2012. [80] Xlamp MC-E leds, [katalogov´ y list], CLD-DS16 Rev 10, Cree, Durham, USA, 2010. [81] [spice modely], Cree, [cit. 2. II. 2014], URL:< http://www.cree.com/˜ /media/Files/Cree/LED%20Components%20 and%20Modules /XLamp/MC%20Family/Xlamp%20MCE.txt>

[82] [spice modely], Lumileds, [cit. 2. II. 2014], URL:

32