大功率LED鐵路信號(hào)燈的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

張立杰

內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司運(yùn)輸部，內(nèi)蒙古 包頭 014010

0 引言

鐵路信號(hào)燈包括小功率發(fā)光二極管及雙絲白熾燈。在實(shí)際使用中，雙絲白熾燈存在一些不足，容易增大相關(guān)設(shè)備維修人員的工作量，而且光的強(qiáng)度也較低，使用壽命較短。因此，在我國(guó)鐵路和城市地鐵中，主要使用小功率發(fā)光二極管作為光源，其有著節(jié)能、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。然而，為了滿足信號(hào)燈的光亮度指標(biāo)以及光效性等方面的要求，需要應(yīng)用大功率LED鐵路信號(hào)燈，采用大功率LED鐵路信號(hào)燈是保證鐵路信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。在此過程中，相關(guān)工作人員需要選用具有優(yōu)異性能的光源器件，以此保證信號(hào)燈的安全使用，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的故障報(bào)警。

1 大功率LED鐵路信號(hào)燈的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

大功率LED鐵路信號(hào)燈（見圖1）具有較高的光效，而且無色變，有著集中的光源和良好的色飽和度，同時(shí)信號(hào)燈的使用壽命也較長(zhǎng)。使用大功率LED信號(hào)燈，可以滿足鐵路信號(hào)燈光強(qiáng)度、燈色坐標(biāo)及發(fā)光散角等方面的標(biāo)準(zhǔn)與要求，并與當(dāng)前的信號(hào)燈機(jī)構(gòu)配套使用，可以減少現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備更換量。在研制紅色、藍(lán)色、綠色、黃色及月白色等各色光源后，還應(yīng)合理設(shè)計(jì)光源的安裝機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)，采用主副光源結(jié)構(gòu)，從而有效轉(zhuǎn)換主副光源，并實(shí)現(xiàn)主絲的斷絲報(bào)警功能，彌補(bǔ)小功率LED信號(hào)燈存在的缺陷，滿足鐵路信號(hào)燈的實(shí)際使用要求。與此同時(shí)，通過設(shè)計(jì)底座和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)構(gòu)、光源體支架恒流供電、電壓門線控制方式等，可以改進(jìn)大功率LED鐵路信號(hào)燈的性能，完善其功能，從而全面滿足鐵路信號(hào)燈的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求[1]。

圖1 鐵路信號(hào)燈

2 大功率LED鐵路信號(hào)燈的關(guān)鍵技術(shù)

LED屬于場(chǎng)致發(fā)光光源，是一類半導(dǎo)體器件，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能；將大功率LED作為鐵路信號(hào)燈的發(fā)光光源時(shí)，采用成熟的封裝技術(shù)及熱管技術(shù)，可以保證信號(hào)燈光源的熱量散發(fā)，延長(zhǎng)鐵路信號(hào)燈的實(shí)際使用壽命；通過應(yīng)用防雷及抗電磁干擾等技術(shù)，可以提高大功率LED鐵路信號(hào)燈的抗干擾性能，更好地滿足鐵路電氣化運(yùn)行的相關(guān)要求[2]。

2.1 LED發(fā)光技術(shù)

LED的電特性和普通二極管相同，其發(fā)光部位主要位于PN結(jié)兩端，當(dāng)通路中有正向電壓時(shí)，P區(qū)中的空穴會(huì)流入N區(qū)，同時(shí)N區(qū)中的電子會(huì)流入P區(qū)。在此過程中，多數(shù)載流子在與少數(shù)載流子發(fā)生重合后會(huì)釋放能量，此部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能與光能。以LED作為信號(hào)燈光源，具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。LED主要使用直流低壓電源，其供電電壓維持在6～24 V，對(duì)比同光效的白熾燈，其能耗減少了80%，屬于節(jié)能型器件；LED燈具的使用壽命較長(zhǎng)，一般能夠使用100 000 h。

如今，在國(guó)際范圍內(nèi)相對(duì)成熟的LED單芯片的功率能夠達(dá)到3 W，但顏色種類較少，無法滿足鐵路交通信號(hào)燈的使用需求；當(dāng)LED芯片的功率為1 W時(shí)，其產(chǎn)品具有穩(wěn)定性能，而且顏色種類也相對(duì)豐富，通過相關(guān)技術(shù)的支持，可以滿足鐵路交通信號(hào)燈的使用需要。

鐵路信號(hào)燈的光源顏色主要包括白、綠、藍(lán)、黃、紅五種[3]，而在大功率LED鐵路信號(hào)燈中，在研制綠、藍(lán)、黃、紅這四色光源時(shí)相對(duì)順利，但研制白色光源時(shí)有較大難度。依據(jù)人們?cè)诳梢姽夥矫娴难芯浚搜勰軌蚩吹降陌坠庵辽賾?yīng)為兩種光混合（如黃色光和藍(lán)色光混合），也就是二波長(zhǎng)發(fā)光；也可以為三波長(zhǎng)發(fā)光模式，包括紅色光、綠色光及藍(lán)色光。采用以上兩種模式，均能制造白色光。通過熒光粉與藍(lán)光技術(shù)的配合，可以形成白光，進(jìn)而制造白光芯片。但通過檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)LED白色發(fā)光材料發(fā)出的白色光譜無法滿足鐵路信號(hào)燈對(duì)白色光的光譜需求，因此，還需要進(jìn)一步加大研究力度。在剖析LED的發(fā)光原理后，可以發(fā)現(xiàn)涂層材質(zhì)與厚度對(duì)LED的色彩和發(fā)光光譜具有重要影響。通過反復(fù)試制芯片涂層材料以及對(duì)涂層厚度展開相關(guān)試驗(yàn)，可以研制得到大功率LED白色光源[4]。

2.2 LED散熱技術(shù)

一般情況下，大功率LED光源的部件溫度對(duì)器件壽命、出光效率及發(fā)射波長(zhǎng)等會(huì)產(chǎn)生直接影響，需要加大對(duì)溫度的控制力度，確保溫度維持在允許范圍內(nèi)。LED作為場(chǎng)致發(fā)光光源，在加上電壓后會(huì)有熱能及光能產(chǎn)生，在點(diǎn)亮大功率LED信號(hào)燈的光源時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫。通常情況下，LED的發(fā)光波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而改變，還會(huì)對(duì)其光譜寬度、顏色的鮮艷度產(chǎn)生影響；在PN結(jié)處有正向電流流過后會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱性損耗，進(jìn)而導(dǎo)致PN結(jié)區(qū)出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。在室溫環(huán)境條件下，每升高1 ℃，LED發(fā)光強(qiáng)度將會(huì)減少1%左右。要想保證LED色度的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命，就需要嚴(yán)格控制發(fā)光體溫度。

具體來說，研究人員可以采用表貼封裝技術(shù)及熱管技術(shù)來解決芯片散熱問題，維持LED光源相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的穩(wěn)定性。其中，熱管可以利用氣液變化期間的吸放熱過程，使熱管具有良好的導(dǎo)熱能力。在實(shí)際應(yīng)用熱管技術(shù)時(shí)，主要通過工作流體的冷凝和蒸發(fā)過程傳遞熱量。熱管的工作流體包括低溫狀態(tài)下應(yīng)用的氮與氦，以及高溫狀態(tài)下應(yīng)用的鉀與鈉等液體金屬。通常來說，比較常見的熱管工作流體包括甲醇、水及氨等。熱管的組成部分包括端蓋、吸液芯及管殼。研究人員可在管內(nèi)設(shè)置較高的真空度，并在其中充入適量的工作流體，確保毛細(xì)多孔材料中充滿液體，然后對(duì)其有效密封。結(jié)合封裝的LED芯片與熱管，利用散熱片，可以傳遞LED芯片中的熱量，解決芯片的散熱問題[5]。

2.3 抗電磁干擾技術(shù)

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備日益普及，但同時(shí)產(chǎn)生了嚴(yán)重的電網(wǎng)噪聲及射頻干擾問題，尤其是瞬態(tài)噪聲干擾，其持續(xù)時(shí)間較短，具有較快的上升速度，而且電壓振幅較高，有著較強(qiáng)的隨機(jī)性，會(huì)嚴(yán)重干擾電子設(shè)備的運(yùn)行。對(duì)此，應(yīng)提高信號(hào)設(shè)備的抗干擾性能。具體來說，在設(shè)計(jì)大功率LED鐵路信號(hào)燈的電路時(shí)，應(yīng)在燈絲變壓器的電流整流和次級(jí)輸出間增設(shè)一級(jí)抗電磁干擾濾波器，以此抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性和抗干擾能力，避免干擾其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.4 防雷電技術(shù)

在電源電路的防雷基礎(chǔ)上，需要增設(shè)防雷單元，具體來說，需要由防雷管、壓敏電阻及瞬態(tài)抑制二極管共同組成相應(yīng)的三級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，降低雷電及浪涌對(duì)設(shè)備造成的沖擊。

3 大功率LED鐵路信號(hào)燈的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)大功率LED鐵路信號(hào)燈時(shí)，應(yīng)保留原信號(hào)燈的菲氏組合透鏡，使用無色透鏡，從而解決有色透鏡在外部強(qiáng)光照射時(shí)出現(xiàn)的反射問題，提高信號(hào)燈的使用效果和安全性；對(duì)于點(diǎn)燈監(jiān)督裝置，其光源驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)采用電壓門線控制模式及恒流供電設(shè)計(jì)，以此解決由于負(fù)載變化與輸入電壓波動(dòng)等引發(fā)的信號(hào)燈故障問題。

3.1 光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 主副光源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了維持信號(hào)燈的穩(wěn)定運(yùn)行，需要合理設(shè)計(jì)主副光源結(jié)構(gòu)。具體來說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在鐵路信號(hào)燈的光源位置同時(shí)設(shè)置主光源和副光源。其中，副光源作為備用光源。一旦主光源出現(xiàn)故障問題，可及時(shí)轉(zhuǎn)換到副光源，從而維持信號(hào)燈的繼續(xù)使用，保證列車運(yùn)行的安全性。

3.1.2 菲氏組合透鏡的應(yīng)用

結(jié)合鐵路信號(hào)燈光源結(jié)構(gòu)，內(nèi)梯與外梯透鏡和光源劑可以共同組成信號(hào)燈機(jī)構(gòu)。在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為了減少LED芯片的使用量，使LED芯片的發(fā)光能夠最大限度地在外梯透鏡上聚集，需要在對(duì)LED芯片進(jìn)行封裝時(shí)合理應(yīng)用聚集透鏡。與此同時(shí)，還需要將外梯的有色玻璃透鏡替換為透明無色的外梯透鏡，從而使光源的色彩具有較高的真實(shí)性，避免外部強(qiáng)光照射時(shí)小功率LED的大面積光源反射現(xiàn)象。為了維持主光源和副光源的光效，需要對(duì)組內(nèi)芯片采取橫向排列的方式，使兩組光源能夠保持上下橫向排列，從而全面提升應(yīng)用效果[6]。

3.2 信號(hào)燈監(jiān)督裝置設(shè)計(jì)

信號(hào)點(diǎn)燈監(jiān)控裝置可為信號(hào)燈的正常運(yùn)行提供電源，并監(jiān)督其工作狀態(tài)。一旦信號(hào)燈受到損壞而熄滅，點(diǎn)燈監(jiān)督裝置可及時(shí)將信號(hào)燈切換到備用燈，并發(fā)出故障警示，使維修人員能夠及時(shí)到場(chǎng)開展維修更換工作。結(jié)合鐵路信號(hào)的維修規(guī)定，點(diǎn)燈監(jiān)督裝置在匹配信號(hào)燈后還需要具備主副絲轉(zhuǎn)換、電源監(jiān)督及主燈絲斷絲報(bào)警等功能，并且要考慮抗干擾及供電電源波動(dòng)等相關(guān)因素，使點(diǎn)燈監(jiān)督裝置的運(yùn)行可靠性得到保證。

高柱信號(hào)機(jī)桿中的電源線會(huì)產(chǎn)生分布電容，進(jìn)而干擾光源的點(diǎn)燈電路，為了隔離此干擾，需要在光源驅(qū)動(dòng)電路中將燈絲變壓器的次級(jí)輸出作為控制電源的輸入，并以繼電器斷開接點(diǎn)作為相應(yīng)的主絲故障報(bào)警輸出。在整流燈絲變壓器次級(jí)輸出交流電壓后，能夠獲得脈動(dòng)直流電壓，之后經(jīng)過電解電容的補(bǔ)償與濾波，可以輸出較為平滑的直流電壓。在此過程中，需要應(yīng)用精密穩(wěn)壓集成電路，消除輸入電壓的波動(dòng)及負(fù)載變化導(dǎo)致的電壓不穩(wěn)現(xiàn)象，輸出穩(wěn)定的直流電壓。此集成電路具有過流、過壓及過熱等保護(hù)功能，可通過電壓門限控制模式和恒流供電解決相關(guān)的信號(hào)燈故障問題[7]。

3.2.1 恒流供電技術(shù)

在LED上流過的電流對(duì)其發(fā)光亮度的一致性及穩(wěn)定性具有直接影響，而且溫度與使用時(shí)間也會(huì)直接影響LED的使用壽命。在實(shí)際采用大功率LED信號(hào)燈時(shí)，應(yīng)采用恒流供電技術(shù)，其不僅耐沖擊，還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.2.2 門限控制技術(shù)

為了防止電氣化牽引電流對(duì)電路造成的干擾，應(yīng)采用門限控制技術(shù)，當(dāng)電壓值達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，可接通燈絲回路，保證點(diǎn)燈的正確性。

3.3 支架和底座的設(shè)計(jì)

在鐵路信號(hào)燈的支架和底座裝載光源體，支架和底座與鐵路信號(hào)燈燈箱保持相互絕緣的關(guān)系，能夠和現(xiàn)有信號(hào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)互換。通過移動(dòng)支架和底座，可以調(diào)整光源焦距，其移動(dòng)方向主要包括上下、前后、左右。與此同時(shí)，在支架上設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)按鈕，能夠檢測(cè)主副光源的轉(zhuǎn)換功能。在支架上安裝螺桿，可方便光源體的安裝和更換，使其能夠與支架有效連接。除此之外，還可在支架上安裝另一組螺桿，確保信號(hào)及點(diǎn)燈電源能夠有效接入[8]。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了保證鐵路信號(hào)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要充分研究與開發(fā)大功率LED鐵路信號(hào)燈，其具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如城市交通、民用、軍事及航空等相關(guān)領(lǐng)域。研究人員應(yīng)針對(duì)大功率LED鐵路信號(hào)燈開展研究工作，從監(jiān)督裝置、光源研制等方面合理優(yōu)化大功率LED鐵路信號(hào)燈的設(shè)計(jì)，完善其具有的功能。