LED顏色漂移對鐵路信號應用產生的影響

李豐田 王朝霞 周張鈺

隨著LED技術的不斷發(fā)展，LED光源因其功耗低、使用壽命長、燈光顏色純度高等特點，在鐵路信號領域逐漸展開應用。從最初的LED鐵路手執(zhí)信號燈、LED機車標志燈、LED列車尾部側燈，逐漸拓展到LED鐵路信號機構，更是作為新型綠色照明光源受到全球的追捧。本文從理論和試驗出發(fā)，研究并分析了環(huán)境溫度對LED性能的影響，探討提高LED壽命和可靠性的方法。

相對于色燈信號機構由燈泡經過色燈信號玻璃所產生的色光，LED光源的發(fā)光強度更強，燈光顏色純度更高，其中尤以紅色、綠色、藍色最為明顯，其燈光的顯示距離也大幅增加。但在使用過程中，LED光源因發(fā)光受溫度影響較大，在環(huán)境溫度變化時，顏色也會出現(xiàn)明顯變化，稱之為顏色漂移。一旦顏色漂移過大，就可能出現(xiàn)顏色識別困難，導致顏色誤判，這對鐵路信號是絕對不允許的。本文著重對紅 （H）、黃 （U）、綠 （L）、藍（A）、月白 （B）5種色光，在行業(yè)標準允許的環(huán)境溫度變化極限條件下，進行顏色漂移試驗，分析其產生原因，提出解決建議。

1 LED的發(fā)光原理

LED是一種半導體二極管，由Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）等半導體制成，核心發(fā)光部分為P型和N型半導體構成的PN結。PN結根據(jù)其端電壓構成一定的勢壘，在正向電壓下，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向對方擴散。電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合而發(fā)出光子，其發(fā)光原理如圖1所示。

理論和實踐證明，發(fā)光的波長或者頻率取決于所選用的半導體材料的禁帶寬度Eg，單位是電子伏 （eV）：

式中，h為普朗克常數(shù)；q為載流子所帶電荷（C）；c為光速 （m／s）；λ為所發(fā)出光波長 （nm）。從 （1）式中可以直觀地看到，半導體材料的禁帶寬度Eg越小，出射光的波長越長，反之越短。因此，若能產生可見光，波長范圍為380～780nm，半導體材料的Eg值應在1．63～3．26eV之間。

圖1 LED的發(fā)光原理圖

2 LED鐵路信號機構的基本形式

LED在鐵路信號機構上的應用最初是從小功率LED，即Φ5的LED發(fā)光管開始，隨著技術的成熟，大功率LED也逐步發(fā)展成熟。根據(jù)TB／T3242－2010中的規(guī)定，LED鐵路信號燈分為點式和盤式2種結構形式。

點式機構是由大功率LED信號燈泡替代原來的鐵路信號燈泡，與色燈信號機構的光系統(tǒng)進行配合，從而輸出色光信號。

盤式機構是由LED發(fā)光盤、發(fā)光盤卡圈、點燈控制電路、燈箱等組成。其中發(fā)光盤是由多顆LED發(fā)光管組成。根據(jù)所用LED的不同，具體分為大功率和小功率2種類型。大功率采用多顆大功率LED在同一個幾何平面內分布排列，通過專門設計的二次光學系統(tǒng)將發(fā)散光變?yōu)闇势叫泄夂?，將大功率LED發(fā)出的光投射出去；小功率即為最先出現(xiàn)的盤式LED鐵路信號機構，使用90～120顆Φ5的LED發(fā)光管，在同一個幾何平面密布排列，經過二次光學系統(tǒng)蜂窩式透鏡匯聚變?yōu)闇势叫泄夂笸渡涑鋈ァ?/p>

由于LED發(fā)光原理的不同，所以點式機構和盤式機構均需要增加相應的控制電路和抗電磁干擾防護電路。

3 LED的顏色漂移試驗

按照TB／T3242－2010規(guī)定，LED信號機構的燈光顏色應符合 《TB／T2081－1989鐵路燈光信號顏色》的規(guī)定，即參照國際照明委員會 （簡稱CIE）推薦的燈光顏色范圍。標準中給出了在鐵路上應用的各種信號燈光顏色，應該位于色度圖中相應的顏色范圍。

對于點式機構主要采用以下幾種組合。

1．用白色大功率LED信號燈替代普通信號燈泡與色燈信號機構透鏡系統(tǒng)組合使用，利用老機構色玻璃的顏色。該方式顏色較為穩(wěn)定，但因白色大功率LED光譜與色玻璃透射光譜匹配上存在問題，綜合的光度利用率低，在長波方向光度輸出非常低，滿足標準要求的發(fā)光強度有一定困難。

2．色光大功率LED信號燈泡與色燈信號機構透鏡系統(tǒng)組合使用，采用色光和色玻璃結合。該方式較容易達到光強度輸出要求，但因色光信號受色玻璃和色光LED雙重影響，在選取合適的色光LED時有較大難度。

3．將色燈信號機構中的色玻璃用無色玻璃替代，再與色光大功率LED信號燈組合使用。這種方式只是利用老機構系統(tǒng)光路，而燈光顏色完全靠LED自身發(fā)光。該方式容易和老系統(tǒng)結合，但也因為其色光信號完全由色光LED產生，容易受環(huán)境溫度變化的影響，導致顏色漂移比較嚴重。

盤式機構無法和老機構光系統(tǒng)匹配使用，色光信號均由色光LED產生，故也容易受環(huán)境溫度變化影響，產生顏色漂移。

試驗采用不同批次的LED鐵路信號機構，分別獨立按照TB／T3242－2010中規(guī)定的極限環(huán)境溫度，進行高溫試驗和低溫試驗。試驗條件如下。

高溫試驗：＋70℃，亮燈狀態(tài)，保持2h。

低溫試驗：－40℃，滅燈狀態(tài)，保持2h。

試驗中分別記錄同一個發(fā)光單元在常溫、高溫、低溫條件下的色溫 （T）、主波長 （λ0）、平均波長 （）等，具體數(shù)據(jù)記錄見表1。

4 顏色漂移試驗結論

試驗后，將同一機構組分別在2種極限環(huán)境條件下的測試數(shù)據(jù)與常溫條件下的測試數(shù)據(jù)進行比對，得出以下結論。

1．在高溫條件下，紅、黃、綠、藍4種單色光均有不同程度的紅移現(xiàn)象，即主波長向紅光的長波方向移動；在低溫條件下，4種單色光均有不同程度的藍移現(xiàn)象。

表1 5種色光信號在不同溫度下的特性參數(shù)

2．綠色、藍色雖然主波長和平均波長均有變化，但變化相對較小，同時因為標準給出的顏色允許范圍比較寬，沒有出現(xiàn)因為溫度影響而超出標準范圍。

3．紅色受溫度變化影響時，在高溫條件下，向長波方向移動，因標準允許范圍非常寬，基本不造成任何干擾；在低溫條件下，向短波方向移動，有時會超出標準要求范圍。

4．黃色受溫度變化影響最大，在高溫條件下，向長波方向移動，顏色明顯偏紅，非常容易超出標準允許范圍；在低溫條件下，向短波方向移動，顏色變淡，向綠光方向靠攏，也非常容易超出標準允許范圍。

5．月白色因為不是單色光，故不能通過主波長考察其變化，主要考察其色溫的變化，色溫普遍隨溫度的升高而升高，主波長相應的隨溫度升高而降低，平均波長變化不大。因為月白色標準給出的顏色允許范圍也比較寬，一般不會出現(xiàn)因為溫度影響而導致的超出標準要求范圍的結果。

結合LED的發(fā)光原理可知，LED的光學參數(shù)與PN結溫度有很大關系，當電流流過LED時，PN結溫度將上升，把PN結區(qū)的溫度定義為LED的結溫。結溫的上升引起半導體的晶格振動幅度增加，當原子的振動能量高于一定值時，電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，會與晶格原子 （或離子）交換能量，發(fā)生無輻射躍遷。這一過程的幾率隨溫度的增加而呈指數(shù)式增加。同時，當溫度上升時，LED封裝用的環(huán)氧樹脂會逐漸變性，發(fā)黃，從而影響環(huán)氧樹脂的透光性能，因此，當溫度上升到一定程度之后，半導體的無輻射躍遷增加，內量子效率降低，從而導致發(fā)光強度下降，有效光輸出降低。

同時，LED的光學性能和半導體材料的禁帶寬度Eg密切相關，結溫的升高，材料的禁帶寬度Eg將減小，根據(jù)公式可知，能夠導致LED發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移，這也從理論上說明試驗結果的可靠性。

進一步分析試驗結果，LED鐵路信號機構中綠色、藍色、月白色在信號識別上沒有問題，一般不會超出標準允許范圍；紅色如果選取的LED主波長偏小 （＜625nm），則容易造成低溫后顏色變淺，超出標準允許范圍；黃色因為其本身波段較短，而黃色LED又容易受溫度影響變化較大，如何選取合適主波長的黃色LED非常重要。

總之，LED鐵路信號機構在環(huán)境溫度變化時的顏色漂移需要特別的關注，在生產選定LED芯片時就應著手考慮。

［1］ 周太明，周詳，蔡偉新．光源原理與設計［M］．第2版 ．上海：復旦大學出版社，2009，1．

［2］ 丁天平，郭偉玲．溫度對功率LED光譜特性的影響［J］．光譜學與光譜分析2011，31（6）．