帶主副光源轉(zhuǎn)化的LED鐵路信號光源設(shè)計與測試

孫 昊

(中國鐵路呼和浩特局集團有限公司科研所，呼和浩特 010030)

目前，把大功率LED 作為鐵路信號燈光源已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的大功率LED 信號燈主要有兩種燈源模式，其中一種形式是點式LED 光源，維修安裝不方便，維修成本高。另一種形式是盤式LED光源，該光源能降低維護成本，成為目前的主流。本文提出一種帶有主副光源轉(zhuǎn)換的盤式LED 光源的設(shè)計方案，通過測試，該光源能大大延長信號燈的使用壽命，進一步降低維修成本，且安裝方便。

1 光源設(shè)計

1.1 光源的選擇

該LED 鐵路信號光源發(fā)光盤采用17 個LED和菲氏透鏡以獨特的方式組合構(gòu)成。光源采用仿流明LED 貼片XP-E2，如圖1 所示，單顆功率為1W。XP-E2 LED 是基于新一代LED 平臺采用先進的碳化硅(SiC)技術(shù)制作而成，在LED 芯片結(jié)構(gòu)及熒光轉(zhuǎn)換上具有卓越特性，可以在同樣功率條件下提升流明輸出。XP-E2 的特點如表1 所示。

圖1 XP-E2實物圖Fig.1 XP-E2 physical picture

表1 XP-E2的特點Tab.1 Characteristics of XP - E2

為發(fā)光盤提供恒定電源的是LED 驅(qū)動電路。LED 驅(qū)動電路主要IC 采用MPS 2370 電源芯片，MPS 2370 是具有內(nèi)置功率MOSFET 的單片降壓LED 驅(qū)動器，在寬輸入電源范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)1.2 A峰值輸出電流，具有出色的負載和線路調(diào)節(jié)功能。電流模式運行提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)并簡化環(huán)路穩(wěn)定,可有效保證LED 鐵路信號燈的發(fā)光效率、光通量、散射特性和穩(wěn)定性。MPS 2370 LED 驅(qū)動的主要特點如表2 所示。

表2 MPS 2370 LED驅(qū)動的主要特點Tab.2 Main characteristics of MPS 2370 LED driver

發(fā)光盤由外圈均勻排列的8 顆LED 呈圓形狀和中心設(shè)置1 顆LED 作為主光源。第二圈均勻排列8 顆LED 呈圓形狀為副光源。9 顆主光源LED和8 顆副光源LED 安裝在鋁基板上。

1.2 光源透鏡的功能配套設(shè)計

為聚焦光源，在發(fā)光盤前方設(shè)置聚光片。聚光片由9 顆主光源和8 顆副光源（直徑為單顆30 mm）的凸透鏡陳列，其中心與發(fā)光盤上主光源的9 顆和副光源的8 顆LED 陳列對應(yīng)，如圖2 所示。聚光片的材質(zhì)為聚碳酸酯，聚碳酸酯是一種強韌的熱塑性樹脂，因具有高透光率、高折射率、高抗沖性、尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等特點，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)透鏡領(lǐng)域。聚碳酸酯的主要性能如表3 所示。

圖2 LED鐵路信號光源透鏡實物圖Fig.2 Physical picture of the lens of LED railway signal light source

1.3 LED光源部分散熱方面的設(shè)計

由于采用的點光源是每顆功率為1 W 的大功率LED，其在發(fā)光的同時會散發(fā)大量熱能，因此為了確保LED 的使用壽命和色度的穩(wěn)定，控制發(fā)光體的溫升，本項目采用性能優(yōu)良的鋁基板作為線路板。

表3 聚碳酸酯的主要性能Tab.3 Main properties of polycarbonate

9 顆主光源LED 和8 顆副光源LED 安裝在直徑132 mm、厚度為3.04 mm 的鋁基板上。鋁基板是低合金化的 Al-Mg-Si 系高塑性合金板，它具有良好的導(dǎo)熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能。鋁基板與傳統(tǒng)的FR-4 相比，采用相同的厚度，相同的線寬，鋁基板能夠承載更高的電流，鋁基板耐壓可達4500 V，導(dǎo)熱系數(shù)大于2.0。鋁基板散熱模擬如圖3 所示。

圖3 鋁基板散熱模擬圖Fig.3 Simulation diagram of the heat dissipation of aluminum substrate

1.4 電源電路部分

LED 鐵路信號光源電路的MCU 采用STM32。MCU 啟動后，可以實時監(jiān)測外部模擬和數(shù)字輸入信號，然后經(jīng)過軟件邏輯和運算處理，輸出數(shù)字控制信號和模擬控制信號，來實時控制外部的設(shè)備。

LED 鐵路信號光源電路的電壓基準源采用的是可控精密穩(wěn)壓源TL431。輸出經(jīng)過TL431(可控分流基準)反饋并將誤差放大，TL431 的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到反饋電壓，用來調(diào)整一個電流模式的PWM 控制器的開關(guān)時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。

電路中直流轉(zhuǎn)換采用LTC3803 DC/DC 轉(zhuǎn)換芯片，主電源通過DC/DC 轉(zhuǎn)換為恒壓輸出，通過整流后輸出DC14.5 V±0.3 V 提供給控制電路和LED 驅(qū)動電路。

LED 鐵路信號光源的主副光源切換是根據(jù)檢測工作電流來實現(xiàn)，電流檢測放大器采用LT6106。該器件可以從高達36 V 的共模電壓中分辨小的差分信號，LT6106 的輸入失調(diào)電壓僅為250 μV(最大值)，滿標度差分輸入為500 mV，具有2000：1 的動態(tài)范圍。其輸入偏置電流保證不高于40 nA，基本消除了偏置電流成為誤差源的問題。LT6106 可以承受高達44 V 的共模電壓，并可以在3.5 μs 之內(nèi)響應(yīng)信號變化，其工作溫度范圍為-40 ℃～125 ℃。

當LED 主光源在30%燈珠短路或者開路時，光源自帶報警繼電器提供一組常閉和一組常開回路，供用戶選擇與信號采集系統(tǒng)連接（如信號采集器、LED 光源配套的點燈單元），同時向室內(nèi)報警系統(tǒng)發(fā)碼報警；當主光源燈珠損壞大于50%時，光源自動轉(zhuǎn)換到副光源顯示，切斷主光源LED驅(qū)動電路，同時保證信號開放電路工作電流大于100 mA 以上，以維持室內(nèi)燈絲繼電器工作。電源電路板如圖4 所示。

圖4 電源電路板實物圖Fig.4 physical picture of power circuit board

2 光源測試

2.1 光源顯示測試

LED 光源連接LED 光源配套的點燈單元，在主光源正常點燈狀態(tài)下，按下測試按鈕（模擬主動故障），主光源切換至副光源。同時點燈單元通過報警線向室內(nèi)報警系統(tǒng)發(fā)碼報警，但線路電流保持＞100 mA 以上。松開測試按鈕，恢復(fù)主光源工作。主光源和副光源切換工作狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 主光源和副光源切換工作狀態(tài)Fig.5 Switching between the main light source and the auxiliary light source

主副光源轉(zhuǎn)換和報警測試如下。

1）正常點亮?xí)r，點燈單元故障，指示燈不亮。

2）斷開主絲， 點燈單元故障，指示燈亮燈。

2.2 光軸偏差測試

要保證主光源切換至副光源后，其光軸處于同一軸線上。否則，光軸產(chǎn)生角度偏差，對列車行車會產(chǎn)生惡劣影響。LED 光源出光軸線依據(jù)《鐵路燈光信號發(fā)光強度》（TB/T 2353-1993）測試要求，用額定電壓點燈，在暗室中距離被測燈L處放置白板，調(diào)整燈光方向和焦點，使光斑最亮點對準白板中心。用多功能光度計測量白板中心的光照度E，則光強I=E×L2。照度測試結(jié)果如圖6 所示。

通過實驗室、國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等多方測試、試驗，該LED 鐵路信號光源具有光通量高、可視距離遠、穿透力強、燈光顏色穩(wěn)定的特點，散熱措施良好，在壽命期內(nèi)符合TB/T2081-1989 的規(guī)定，并且電壓穩(wěn)定，測試過程中沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)白熾燈的亮度會隨著電壓的變化而出現(xiàn)發(fā)暗或者過度發(fā)亮的現(xiàn)象。

圖6 10 m接收屏照度分布Fig.6 Illuminance distribution of a 10-meter receiving screen

3 結(jié)束語

新型盤式大功率LED 鐵路信號光源的設(shè)計成果利用現(xiàn)代電子技術(shù)控制17 個點陣式大功率LED 鐵路信號光源，大大提升了信號燈的性能，具有主副光源切換報警和自保護功能；同時可以提供更高的亮度、更清晰的顯色效果、更遠的可視距離。LED信號光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)鹵素?zé)?、白熾燈是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，同時新型LED 信號燈可解決傳統(tǒng)信號燈的可視距離不足問題，對鐵路行車安全意義重大，安全效益明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。