Введение
Целью дипломного проекта является разработка демонстрационного стенда устройство железнодорожного полотна.
Железнодорожный путь— сложный комплекс линейных и сосредоточенных инженерных сооружений и обустройств, расположенных в полосе отвода, образующих дорогу с направляющей рельсовой колеёй. Железнодорожный путь состоит из верхнего и нижнего строения пути.
Актуальность данной темы дипломного проектирования в том что разрабатываемый демонстрационный стенд, устройство железнодорожного полотна предназначен для проведения учебно - практических занятий по предметам.
Рельсовая колея образована из рельсов, шпал, скреплений и других элементов которые вместе составляют верхнее строение пути. Верхнее строение пути укладывают на земляное полотно, представляющее собой заранее подготовленную поверхность земли, которое в совокупности с искусственными сооружениями в местах пересечения железнодорожным путём рек, крупных ручьёв, оврагов и т. п. образуют нижнее строение пути. К устройствам железнодорожного пути также относят стрелочные переводы, водоотводные и укрепительные устройства, путевые знаки.
Постройке железной дороги предшествует проектирование на котором в результате сравнения нескольких вариантов принимается решение о расположении в пространстве продольной оси земляного полотна линии (то есть трассы). Расположение каждого пути на местности определяется положением его оси. За ось пути принимают продольную линию, проходящую посредине между рельсовыми нитками колеи. Учитывая, что железнодорожные линии могут быть не только однопутные, но и двупутные и многопутные, ось пути и линия трассы совпадают лишь на однопутных линиях.
1 Общая часть
1.1 Основные элементы электронных устройств
1.1.1 Светоизлучающий диод
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.
Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.
Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe).
Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.
Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Преимущества и недостатки светоизлучающего диода. Преимущества, которыми обладает светоизлучающий диод (СИД) по сравнению с традиционными лампами, позволяют с уверенностью утверждать, что появление новых типов осветительных приборов на основе СИД станет революционным технологическим прорывом в светотехнике.
Впервые светодиоды стали использоваться в промышленной продукции во времена СССР в конце 60-х – начале 70-х гг. Тогда они не обладали требуемой для осветительных приборов светоотдачей, ресурс их был невелик, и светили они не белым цветом, как нужно, а красным или каким-то иным. Все упиралось в материалы. В 90-х гг. по понятным причинам работа над созданием светоизлучающих диодов была приостановлена.
В мире же, наоборот, подобные работы велись нарастающими темпами, и был создан новый материал – нитрид галлия на сапфире, позволивший достичь свечения белого цвета. Особенно в этом плане преуспела японская компания Nichia и ее коллеги-конкуренты из других сопутствующих фирм, разработавшие пять технологических блоков процесса изготовления светильников:
- рост кристаллов сапфира по методу Киропулоса;
- механическую обработку кристаллов сапфира, в т.ч. резку, шлифовку и полировку пластин до 14 класса;
- эпитаксиальное наращивание нитрида галлия на полированных подложках сапфира методом газотранспортных реакций;
- изготовление на эпитаксиальных структурах методом электронной литографии чипов светодиодов;
- сборочное производство (корпусирование) светодиодов.
В настоящее время в мире кристаллы светодиодов поставлены на массовое производство, и ежегодно общемировой прирост объемов их выпуска увеличивается на 30–40%. По результатам 2008 г., мировой рынок светодиодов достиг 25–30 млрд долл.
В настоящее время разработана целая серия осветительных приборов, в т.ч. идентичных по цоколю лампам накаливания мощностью от 40 до 100 Вт, с энергопотреблением 4–10 Вт. Значительно расширены сферы, в которых могут быть использованы приборы. Фактически речь идет о возможной замене существующих ламп накаливания и люминесцентных ламп светильниками на СИД.
Рисунок 1.1 – УГО диодов
Можно отметить основные преимущества ламп на светодиодах:
- низкое энергопотребление – в 10 раз ниже, чем у обычной лампы накаливания, и на 20–25% ниже, чем у энергосберегающей люминесцентной лампы;
- лампы на светодиодах не требуют особой системы утилизации, т.к. они, в отличие от люминесцентных ламп, экологически безвредны. Светодиод не представляет вреда для экологии, его размеры относительно малы;
- пожаро- и взрывобезопасность;
- полная цветовая гамма излучения;
- высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света;
- высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
- сверхдолгий срок работы – до 100 тыс. ч. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;
- спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром;
- малая инерционность;
- малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком;
- безопасность — не требуются высокие напряжения;
- нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
Недостатки ламп на светодиодах:
- основной недостаток — высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50 — 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания;
- низкая предельная температура:
мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Осветительный светодиод мощностью 10 Ватт требует пассивный радиатор размером как у микропроцессора Pentium 4 без вентилятора. Такой большой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов;
- для питания светодиода от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты. Поэтому многие разработчики ограничиваются выпрямителем, а светодиоды включают последовательно;
- высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты без сглаживающего конденсатора, при его наличии пульсации малы;
- дешёвые массовые LED имеют светоотдачу 60-100 лм/Вт;
- спектр отличается от солнечного.
Свойства и характеристики светодиодов. Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
Рисунок 1.2 – Внутренний вид светодиода
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
Реакция светодиода на повышение температуры такова: p-n-переход - это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий собой соединённые вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов - «n-тип», второй с избытком дырок - «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
Ток через светодиод нужно стабилизировать.
Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
Светодиоды допускается «запитывать» в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - метод, очень распространённый в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колор-чейнджеры)
Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода -- то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо -- доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.
Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский -- крупный специалист в области цветного зрения.
Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей существующих на сегодняшний день: что касается выращивания кристаллов, то основная технология -- металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок -- в р-области.
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 -- 12 подложках диаметром 50 -- 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 -- 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это -- технология, требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details -- поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора -- в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.
Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.