基于LED的鐵路信號燈的研究與開發(fā)

劉定林，韓永忠，石　楊

(四川九洲光電科技股份有限公司，四川 綿陽　621000)

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基于LED的鐵路信號燈的研究與開發(fā)

劉定林，韓永忠，石楊

(四川九洲光電科技股份有限公司，四川 綿陽621000)

本文介紹的一種白光LED光源，可以在任意類型鐵路色燈信號機構(gòu)中安裝使用，兼容現(xiàn)有鐵路信號燈的供電、監(jiān)測、報警系統(tǒng)，LED光源通過不同顏色的玻璃后，光強和色坐標符合鐵路標準要求。傳統(tǒng)鐵路色燈信號機是以雙燈絲白熾燈為光源，它最大的缺點是所用雙燈絲白熾燈壽命低；燈絲啟動電流大，對供電裝置的壽命影響大；系統(tǒng)維護工作量大。據(jù)了解我國鐵路系統(tǒng)傳統(tǒng)色燈信號機約有20萬～30萬套，白光LED鐵路信號燈的研究有很大的經(jīng)濟和社會意義。

LED信號燈；封裝；全壽命；光學傳感器

引言

據(jù)了解我國鐵路系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)色燈信號機約有20萬～30萬套，傳統(tǒng)鐵路色燈信號機是以雙燈絲白熾燈，采用內(nèi)外凸透鏡聚光方式。其中，無色的外透鏡和有色的內(nèi)透鏡組成的光學系統(tǒng)將白熾燈發(fā)出的發(fā)散白光過濾為內(nèi)透鏡定義的顏色，并轉(zhuǎn)換為平行光射出。鐵路信號機構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　鐵路信號機構(gòu)組成圖Fig.1　Structural drawing of railway signal lamp

為了保證鐵路行車安全，按照“故障導(dǎo)向安全”的原則，白熾燈由主、副兩個燈絲組成，主燈絲為主要工作燈絲，副燈絲為主燈絲備份。當主燈絲損壞時，外部檢測系統(tǒng)檢測到這一情況，自動向副燈絲供電，點亮副燈絲，同時報警。提示該“燈泡”需要更換維護。

白熾燈光源作為一種超百年的傳統(tǒng)光源，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、光學性能較穩(wěn)定，但其發(fā)光原理決定了缺點也很明顯，如壽命短(一般僅1 000 h左右)、燈絲結(jié)構(gòu)脆弱(不耐震動，易斷裂)、光效低等。因而信號機構(gòu)用信號燈維護量很大；隨著鐵路事業(yè)的發(fā)展，鐵路里程的不斷增加，邊遠、偏僻地域越來越多，信號燈的實際維護難度更大。頻繁的維護需求和較大的維護難度給列車安全行駛帶來了一定的隱患。

近年隨著LED技術(shù)的發(fā)展，采用LED作為發(fā)光顯示器件的鐵路信號機也逐漸開始出現(xiàn)。目前主要采用多顆小功率顯示級LED組成發(fā)光光盤和大功率LED構(gòu)成的點式光源，它們與各自的信號機構(gòu)(與白熾燈鐵路信號機構(gòu)不兼容)組合構(gòu)成盤式信號機構(gòu)和點式信號機構(gòu)。盤式和點式信號機構(gòu)具有功耗低、工作電流小、無沖擊電流、可靠性較高的特點，但是無論盤式還是點光源式LED信號機構(gòu)都有以下缺點：

1)光源式均由LED顏色決定信號機顏色，所以均需有紅、綠、藍、黃、白等品種，具有品種多、維護準備工作量大的缺點。

2)與傳統(tǒng)雙燈絲白熾燈信號機構(gòu)電氣性能差別大，與傳統(tǒng)供電、檢測、報警系統(tǒng)不兼容；由于這類信號機價格昂貴，且與傳統(tǒng)色燈信號機所配套使用的點燈單元、燈絲檢測繼電器均不兼容，這些設(shè)備僅在秦沈鐵路、北京局等地少量使用。

3)盤式LED色燈信號機構(gòu)采用的小功率LED，這種LED無專門散熱通道，僅靠正負引腳導(dǎo)熱，熱阻高，長期工作光衰嚴重，壽命短,整體費用高，不易在全路段推廣。

本文介紹了一種新型的白光LED的鐵路信號燈，它具有以下特點：

1)具有發(fā)明專利的二合一型LED集成封裝燈珠，這種封裝利用目前最新的新型導(dǎo)熱陶瓷的熱傳導(dǎo)原理，使用陶瓷作為LED支架，在單一的LED支架內(nèi)，主/副燈間巧妙的設(shè)計，保證技術(shù)指標要求。

2)自動檢測，安全報警功能，采用故障導(dǎo)向安全技術(shù)，該鐵路信號燈采用兩顆白光LED，做為主副發(fā)光器件，在電路設(shè)計上包含保護電路、2組DC-DC電路、工作狀態(tài)檢測電路、功率負載四大功能塊。其中，為滿足傳統(tǒng)電燈機構(gòu)的工作需求，功率負載將由工作狀態(tài)檢測電路智能判斷是否接入整個工作回路。

通過精確的主/副燈“延時”工作系統(tǒng)，無需其它保護系統(tǒng)和EMI設(shè)備，并可拋開點燈單元，獨立實現(xiàn)TB/T 3073—2003中要求的快速脈沖群測試、浪涌沖擊、射頻電磁場輻射抗擾度等一系列嚴苛的電磁兼容測試。

3)長壽命，高可靠性，白熾燈光源作為一種現(xiàn)世超百年的傳統(tǒng)光源，一般僅2 000 h左右，該產(chǎn)品壽命超過50 000 h，是傳統(tǒng)光源壽命的20倍以上。

4)安裝維護方便，傳統(tǒng)燈絲結(jié)構(gòu)脆弱(不耐震動，易斷裂)、光效低)，因而信號機構(gòu)用信號燈維護量很大。頻繁的維護需求和較大的維護難度給列車安全行駛帶來了一定的隱患。該產(chǎn)品可以直接替換原來傳統(tǒng)光源，它與白熾燈盤式LED光源的維護勞動力之比為1∶5∶7可大大降低工人勞動強度。

該產(chǎn)品已通過原鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心通信信號站測試，并在成鐵貴陽段上道試用。社會經(jīng)濟效益巨大，全國鐵路系統(tǒng)按150萬個信號燈計算，全面推廣后，每年可節(jié)約維護費15億元人民幣，能大幅度降低鐵路信號方面的風險，社會效益巨大。

1　白光LED鐵路信號燈主要技術(shù)指標

直接替換傳統(tǒng)25 W雙燈絲白熾燈的白光LED鐵路信號燈，首先要滿足色燈信號機構(gòu)色坐標、光強等光學要求，其次必需與現(xiàn)有鐵路信號供電系統(tǒng)、檢測報警系統(tǒng)兼容匹配。

1.1白光LED鐵路信號燈性能(見表1)

表1　鐵路信號燈性能參數(shù)表

LED鐵路信號燈顏色應(yīng)符合TB/T 2081—1989《鐵路信號燈光顏色》的規(guī)定，白光LED燈裝入色燈信號機構(gòu)通電工作，白光通過濾色玻璃后的顏色符合規(guī)定要求，濾色玻璃的顏色有五種，分別是：紅、綠、黃、藍、月白。由于白熾燈光譜與普通LED光譜有顯著差別，會導(dǎo)致普通LED白光經(jīng)濾色后不能同時滿足五種顏色的色坐標要求。因此是否能找到符合要求的白光LED 是解決問題的關(guān)鍵。

光強應(yīng)符合TB/T2353—93《鐵路信號燈光強度》的規(guī)定。由于LED光效遠大于白熾燈，因此，光強問題較易解決。

雙燈絲白熾燈有光通量要求，但LED光具有單向性，在色燈信號機中其光利用率更高，不考慮色坐標因素，LED燈的光通量要求會更低。

1.2LED鐵路信號燈其它要求

1)定焦盤裙邊的上平面與燈頭內(nèi)套應(yīng)有不小于3 mm的間隙；

2)燈頭與裙邊的平行度和垂直度均不大于0.06 mm，其裙邊應(yīng)能承受35N以上壓力而不變形；

3)燈頭與燈體的固定應(yīng)牢固，并能經(jīng)受3N·m的扭力矩而不脫開；

4)燈具為雙光源，主光源和副光源平行，主光源在下，副光源在上，其軸心線與燈頭的中心線相垂直；

5)燈具接通115%額定電壓10 s不損壞；

6)主光源損壞時，副光源應(yīng)能可靠點亮；

7)燈具能承受下列機械振動：頻率為35 Hz，加速度2.5 g的振動；

8)頻率為5 Hz，加速度2 g的振動

9)燈具應(yīng)具有電磁兼容性能，燈具與點燈單元及機構(gòu)共同經(jīng)電磁兼容試驗，試驗內(nèi)容包括：射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、靜電放電抗擾度、脈沖磁場抗擾度、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌(沖擊)抗擾度、電壓暫將、短時中斷和電壓變化等；試驗等級及試驗應(yīng)按GB/T 17626—2006的規(guī)定進行。

1.3LED鐵路信號燈結(jié)構(gòu)尺寸要求

在色燈信號機中，燈泡的安裝位置、燈絲高度、主副燈絲間距都有嚴格的規(guī)定，從而保證色燈信號機光輸出符合要求。在白光LED燈設(shè)計中應(yīng)充分考慮這些因素，才能進行相應(yīng)設(shè)計。結(jié)構(gòu)尺寸要求符合TB/T 1917—2008《鐵路信號燈泡技術(shù)條件》。

1.4LED鐵路信號燈兼容性要求

現(xiàn)有信號機點燈電路中使用的燈絲監(jiān)督繼電器，工作在交流220V側(cè)(一次側(cè))，其工作電流為100 mA，釋放電流為40 mA，而工作在交流12V側(cè)(二次側(cè))的雙燈絲白熾燈對應(yīng)功耗為25 W。

從當前LED光效推算，LED燈株功率為4 W就可以滿足光強要求，因此，白光LED燈還需增加22 W功耗才能與原有系統(tǒng)兼容。

1.5LED鐵路信號燈安全性要求

白熾燈故障模式只有開路(斷絲)一種模式，當發(fā)生故障時，其功耗為0，可確保燈絲監(jiān)督繼電器可靠釋放，從而切換副燈工作。這就是故障導(dǎo)向安全的體現(xiàn)。半導(dǎo)體發(fā)光元件LED故障模式有開路和短路兩種模式，當其發(fā)生故障時，都沒有光輸出。LED故障的檢測模式、發(fā)生故障后整燈功耗的處理都需要以故障導(dǎo)向安全的原則進行處理。

2　LED鐵路信號燈的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1總體方案

傳統(tǒng)白熾燈用于信號燈時，其功率約25 W左右，具備主/副雙燈絲，在主燈絲損壞后，點燈單元進行報警。老式點燈繼電器方式是在一次側(cè)或二次側(cè)設(shè)置繼電器來實現(xiàn)主副燈絲轉(zhuǎn)換。這些繼電器都是根據(jù)雙燈絲白熾燈性能設(shè)計得到，其性能參數(shù)見表2。

表2　鐵路信號燈用白熾燈性能參數(shù)表

表3　鐵路信號燈用繼電器性能參數(shù)表

根據(jù)以上分析，鐵路信號燈可采用兩顆白光LED，做為主副發(fā)光器件，根據(jù)發(fā)光強度要求，結(jié)合目前LED光效性能，設(shè)定主副LED燈株功率為7 W左右可以滿足要求；為了適應(yīng)繼電器和點燈單元的電流檢測模式和檢測性能，為主燈設(shè)計分離式功率消耗模塊，該模塊功耗設(shè)為20 W，主燈總消耗功率可達25 W，可滿足一次測(220V)和二次測(12V)的電流檢測要求。

由于副燈部分不需要檢測和報警，無需功率消耗模塊。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計參考了傳統(tǒng)白熾燈尺寸、點燈機構(gòu)空間(特別是高柱型機構(gòu))、散熱情況等，將光源、熱源分離，以保證光源部分的壽命；此外，因應(yīng)用上對光源的“假顯示”性能有要求，因此，對產(chǎn)品的外觀采用了黑色噴砂處理，增強了漫反射性能。產(chǎn)品效果如圖2、圖3所示。

圖2　光源部分效果圖Fig.2　Effect picture of light source

圖3　熱源部分效果圖Fig.3　Effect picture of heat source

2.3白光LED燈珠的設(shè)計

基于大量測試及標準的要求，現(xiàn)有的通用LED燈珠首先在普通外形結(jié)構(gòu)及bincode劃分上很難直接用于產(chǎn)品設(shè)計，其問題主要是一方面為達到光強要求和良好導(dǎo)熱的需求，至少需要尺寸5050級別封裝的LED燈珠，而5050級別燈珠主/副燈間距至少5 mm，無法滿足相關(guān)標準中對主/副燈的間距要求(3 mm)，因此設(shè)計一款二合一(主/副燈)燈珠或?qū)ΜF(xiàn)有5050 LED進行特殊定制生產(chǎn)，是兩種可行的解決方案。兩種方案在設(shè)計及實際使用中各有優(yōu)缺點，現(xiàn)分析如下。

5050型LED是較為主流的LED封裝形式，其封裝可覆蓋1 W～5 W的應(yīng)用情況，封裝尺寸及外形見圖4。

圖4　5050型LED尺寸外觀示意圖Fig.4　Size sketch appearance of 5050 LED

5050型LED封裝、生產(chǎn)工藝成熟，在1～3 W內(nèi)均能可靠散熱。但用于本產(chǎn)品時，一方面即使兩燈珠緊靠排列，其間距也達5 mm，無法滿足TB/T 1917—2008中關(guān)于主/副燈具間距的要求，因此需要對5050型支架進行改良，并制定執(zhí)行針對性的新型生產(chǎn)工藝，鐵路信號燈專用支架產(chǎn)品與普通型產(chǎn)品對比示意圖如圖5所示：

圖5　LED鐵路信號燈專用支架與普通支架對比Fig.5　The drawing of special stent compared with ordinary stent for LED railway signal lamp

另一方面，根據(jù)大量測試，本產(chǎn)品應(yīng)用中，LED需驅(qū)動至4 W方能滿足光強需求，因此，在燈板的設(shè)計上采取了2個應(yīng)對措施：第一，選擇導(dǎo)熱率3.0的鋁型材基板；第二，鋁板布板時采用大量覆銅，并將銅層裸露，覆蓋高導(dǎo)熱率導(dǎo)熱墊片，以滿足可靠地散熱要求。鋁基板覆銅如圖6所示。

圖6　鋁基板覆銅示意圖Fig.6　Schematic diagram of aluminum substrate with copper pour

但使用5050型LED需要特別注意，其受本身尺寸的限制，工作在4 W情況下，盡管在測試及模擬時能滿足散熱要求，但實際使用時，特別是夏季工作在野外的密閉機構(gòu)中，LED的熱沉積現(xiàn)象較嚴重，可能對LED的壽命及色漂移提出嚴重的考驗；此外，兩顆LED在焊接時需要緊密排布才能滿足間距要求，批量化生產(chǎn)工藝有極大難度，需要特殊工藝保證措施。

二合一型集成封裝燈珠，是近一兩年為滿足單顆LED的大功率化逐漸產(chǎn)生的一種封裝形式。這種封裝利用新型導(dǎo)熱陶瓷的熱傳導(dǎo)原理，使用陶瓷作為LED支架，支架尺寸更大，內(nèi)部有更多固晶空間，排布晶元、設(shè)計線路有更大更靈活空間，此外，在單一的LED支架內(nèi)，主/副燈間距可輕易滿足間距要求，對批量生產(chǎn)有較大優(yōu)勢。二合一型LED外形尺寸及主/副間距如圖7所示。

圖7　二合一型LED外形尺寸示意圖Fig.7　Size sketch appearance of LED

而二合一集成封裝燈珠在本案應(yīng)用中也有其缺點，一方面，陶瓷支架需要單獨開設(shè)模具，研發(fā)周期較長，更重要的是，主/副燈珠在一個支架中，共用熒光粉后，若工作溫度極高，在主燈老化的同時，副燈也被動老化，存在一定的安全隱患。

綜上，LED器件的選擇上，兩種方案各有利弊，綜合考慮研發(fā)周期、成本以及可靠性上，本設(shè)計暫選5050型LED器件。

2.4電路設(shè)計

經(jīng)過多次測試，證實采用專門研制的4 W的LED燈珠作為光源,出光總量可滿足5種色玻璃在濾色后的光強要求。由此從光強需求、散熱條件、器件可靠性等方面通盤考慮， LED鐵路信號燈光源總體來說在電路設(shè)計包含保護電路、2組DC-DC電路、工作狀態(tài)檢測電路、功率負載四大功能塊。其中，為滿足傳統(tǒng)電燈機構(gòu)的工作需求，功率負載將由工作狀態(tài)檢測電路智能判斷是否接入整個工作回路。整電路框圖如圖8所示。

圖8　電路框圖Fig.8　Circuit block diagram

工作原理：點燈電源通電后，主/副燈同時通電工作，此時，工作狀態(tài)檢測電路需檢測主燈工作狀態(tài)，若主燈亮，則功率負載接入電路，同時通過繼電器斷開副燈，此時，因主回路正常工作，且工作電流大于2A，點燈單元本身切斷副燈回路供電；反之，無論是工作的開始階段還是工作中，檢測電路會持續(xù)的檢測主燈的工作狀態(tài)，若主燈熄滅，檢測電路會通過繼電器切斷功率負載，并接通副燈回路，此時，主回路的電流極小，點燈單元會恢復(fù)副燈的供電，并報警。

由以上分析可知，電路設(shè)計的重點是如何設(shè)計可靠并較簡潔的工作狀態(tài)檢測電路。

電路設(shè)計原理如圖9所示，檢測電路通過檢測主回路工作情況，通過繼電器控制功率負載和副燈供電的通斷，可實現(xiàn)電路邏輯工作目標。

圖9　電路原理框圖Fig.9　Schematic circuit diagram

檢測電路的設(shè)計，通常通過檢測負載工作時的電壓或電流來實現(xiàn)，但在本項目設(shè)計中，一方面，空間限制很大，較復(fù)雜的檢測電路并不便于實現(xiàn)，另一方面，LED的開路損壞或短路損壞，也并不容易簡單的通過一套電路來實現(xiàn)。因此，經(jīng)多方研究，在本設(shè)計中創(chuàng)新性的引入了光學傳感器檢測系統(tǒng)。光學傳感系統(tǒng)，僅檢測主燈發(fā)光情況，無論主燈開路或短路，都被光學傳感系統(tǒng)簡化為“滅燈”這一種狀態(tài)，極大的簡化了電路的設(shè)計；并且最大程度的減少了由于電子元件或工作狀態(tài)差異引起的誤報、漏報，實現(xiàn)了可靠的工作。

此外，電路本身通過精確的主/副燈“延時”工作系統(tǒng)，無需其它保護系統(tǒng)、EMI設(shè)備，并可拋開點燈單元，獨立實現(xiàn)TB/T 3073—2003中要求的快速脈沖群測試(GB/T 17626.4—2006)、浪涌沖擊(GB/T 17626.5—2006)、射頻電磁場輻射抗擾度(GB/T 17626.3—2006)等一系列嚴苛的電磁兼容測試。

2.5熱設(shè)計

根據(jù)電路設(shè)計LED鐵路信號燈光源因發(fā)光LED燈株為4 W左右，算上電路其它損耗，總功率僅7 W，為能配合點燈單元，故另需功率負載進行匹配，而功率負載消耗功率為20 W。因此考慮到此部分功率全部轉(zhuǎn)換為熱能，耗能電路溫度較高，因此將光源部分和功率電阻部分分為獨立的兩部分，以達到熱分離的目的如圖10所示。

圖10　熱分離結(jié)構(gòu)圖Fig.10　Thermal separation structure

3　LED鐵路信號燈功能、性能指標測試與分析

經(jīng)過實際樣機制作調(diào)試，樣機的各項指標測試情況如下。

3.1電性能情況

產(chǎn)品電性能情況如表4所示。

表4　產(chǎn)品電性能達標分析表

3.2光學性能情況

光強測試是在光學暗室中進行，采用分布式光度計測試。同時也對鹵素燈泡LTX12-25在信號機中的光強性能進行了測試。表5中羅列了光強、有效光通量和發(fā)光角度的對比數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示：XHD-LED鐵路信號燈優(yōu)于LTX12-25鐵路信號燈泡。

色坐標測試采用1 m積分球測試。同時也對鹵素燈泡LTX12-25在信號機中的色坐標進行了測試。表6中羅列標準對色坐標的要求(坐標系中一個封閉的區(qū)域)，并羅列3組LED信號燈測試坐標數(shù)據(jù)，其中一組的坐標在舌形域內(nèi)的位置如圖11所示。

表5　光強、光通量、角度對比

表6　坐標測試數(shù)據(jù)

圖11　坐標位置圖Fig.11　Location plan of coordinates

3.3電磁兼容試驗

產(chǎn)品在北京鐵科院成功完成了電磁兼容試驗，試驗情況見表7。

4　結(jié)論

經(jīng)過充分調(diào)研，精心設(shè)計制作，LED鐵路信號燈樣機測試都滿足鐵路信號燈的要求，值得大力推廣使用。

表7　EMS試驗測試情況

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Research and Development of LED Railway Signal Lamp

LIU Dinglin, HAN Yongzhong, SHI Yang

(Sichuan Jiuzhou Optoelectronic Technology Co.,Ltd., Mianyang621000, China)

This paper Introduced a white-light LED light source, it can be installed in any color light type railway signal use, compatible with existing railway signal power supply, monitoring, alarm systems, different colors of the led light source through the glass, luminous intensity and chromaticity coordinates meet the standard requirements. Traditional rail color lamp signals in double-filament incandescent lamp as light source, its biggest shortcoming is the dual-filament incandescent lamp life and low; the filament current, effects on the supply of life system maintenance. According to China’s traditional railway system color light signal about 20.3 million units, study on white light LED railway signals have great economic and social significance.

LED signal light; package; lifetime; optics sensor

TN2

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.020