LED颜色漂移对铁路信号应用产生的影响

李丰田 王朝霞 周张钰

随着LED技术的不断发展，LED光源因其功耗低、使用寿命长、灯光颜色纯度高等特点，在铁路信号领域逐渐展开应用。从最初的LED铁路手执信号灯、LED机车标志灯、LED列车尾部侧灯，逐渐拓展到LED铁路信号机构，更是作为新型绿色照明光源受到全球的追捧。本文从理论和试验出发，研究并分析了环境温度对LED性能的影响，探讨提高LED寿命和可靠性的方法。

相对于色灯信号机构由灯泡经过色灯信号玻璃所产生的色光，LED光源的发光强度更强，灯光颜色纯度更高，其中尤以红色、绿色、蓝色最为明显，其灯光的显示距离也大幅增加。但在使用过程中，LED光源因发光受温度影响较大，在环境温度变化时，颜色也会出现明显变化，称之为颜色漂移。一旦颜色漂移过大，就可能出现颜色识别困难，导致颜色误判，这对铁路信号是绝对不允许的。本文着重对红 （H）、黄 （U）、绿 （L）、蓝（A）、月白 （B）5种色光，在行业标准允许的环境温度变化极限条件下，进行颜色漂移试验，分析其产生原因，提出解决建议。

1 LED的发光原理

LED是一种半导体二极管，由Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）等半导体制成，核心发光部分为P型和N型半导体构成的PN结。PN结根据其端电压构成一定的势垒，在正向电压下，P区和N区的多数载流子向对方扩散。电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合而发出光子，其发光原理如图1所示。

理论和实践证明，发光的波长或者频率取决于所选用的半导体材料的禁带宽度Eg，单位是电子伏 （eV）：

式中，h为普朗克常数；q为载流子所带电荷（C）；c为光速 （m／s）；λ为所发出光波长 （nm）。从 （1）式中可以直观地看到，半导体材料的禁带宽度Eg越小，出射光的波长越长，反之越短。因此，若能产生可见光，波长范围为380～780nm，半导体材料的Eg值应在1．63～3．26eV之间。

图1 LED的发光原理图

2 LED铁路信号机构的基本形式

LED在铁路信号机构上的应用最初是从小功率LED，即Φ5的LED发光管开始，随着技术的成熟，大功率LED也逐步发展成熟。根据TB／T3242－2010中的规定，LED铁路信号灯分为点式和盘式2种结构形式。

点式机构是由大功率LED信号灯泡替代原来的铁路信号灯泡，与色灯信号机构的光系统进行配合，从而输出色光信号。

盘式机构是由LED发光盘、发光盘卡圈、点灯控制电路、灯箱等组成。其中发光盘是由多颗LED发光管组成。根据所用LED的不同，具体分为大功率和小功率2种类型。大功率采用多颗大功率LED在同一个几何平面内分布排列，通过专门设计的二次光学系统将发散光变为准平行光后，将大功率LED发出的光投射出去；小功率即为最先出现的盘式LED铁路信号机构，使用90～120颗Φ5的LED发光管，在同一个几何平面密布排列，经过二次光学系统蜂窝式透镜汇聚变为准平行光后投射出去。

由于LED发光原理的不同，所以点式机构和盘式机构均需要增加相应的控制电路和抗电磁干扰防护电路。

3 LED的颜色漂移试验

按照TB／T3242－2010规定，LED信号机构的灯光颜色应符合 《TB／T2081－1989铁路灯光信号颜色》的规定，即参照国际照明委员会 （简称CIE）推荐的灯光颜色范围。标准中给出了在铁路上应用的各种信号灯光颜色，应该位于色度图中相应的颜色范围。

对于点式机构主要采用以下几种组合。

1．用白色大功率LED信号灯替代普通信号灯泡与色灯信号机构透镜系统组合使用，利用老机构色玻璃的颜色。该方式颜色较为稳定，但因白色大功率LED光谱与色玻璃透射光谱匹配上存在问题，综合的光度利用率低，在长波方向光度输出非常低，满足标准要求的发光强度有一定困难。

2．色光大功率LED信号灯泡与色灯信号机构透镜系统组合使用，采用色光和色玻璃结合。该方式较容易达到光强度输出要求，但因色光信号受色玻璃和色光LED双重影响，在选取合适的色光LED时有较大难度。

3．将色灯信号机构中的色玻璃用无色玻璃替代，再与色光大功率LED信号灯组合使用。这种方式只是利用老机构系统光路，而灯光颜色完全靠LED自身发光。该方式容易和老系统结合，但也因为其色光信号完全由色光LED产生，容易受环境温度变化的影响，导致颜色漂移比较严重。

盘式机构无法和老机构光系统匹配使用，色光信号均由色光LED产生，故也容易受环境温度变化影响，产生颜色漂移。

试验采用不同批次的LED铁路信号机构，分别独立按照TB／T3242－2010中规定的极限环境温度，进行高温试验和低温试验。试验条件如下。

高温试验：＋70℃，亮灯状态，保持2h。

低温试验：－40℃，灭灯状态，保持2h。

试验中分别记录同一个发光单元在常温、高温、低温条件下的色温 （T）、主波长 （λ0）、平均波长 （）等，具体数据记录见表1。

4 颜色漂移试验结论

试验后，将同一机构组分别在2种极限环境条件下的测试数据与常温条件下的测试数据进行比对，得出以下结论。

1．在高温条件下，红、黄、绿、蓝4种单色光均有不同程度的红移现象，即主波长向红光的长波方向移动；在低温条件下，4种单色光均有不同程度的蓝移现象。

表1 5种色光信号在不同温度下的特性参数

2．绿色、蓝色虽然主波长和平均波长均有变化，但变化相对较小，同时因为标准给出的颜色允许范围比较宽，没有出现因为温度影响而超出标准范围。

3．红色受温度变化影响时，在高温条件下，向长波方向移动，因标准允许范围非常宽，基本不造成任何干扰；在低温条件下，向短波方向移动，有时会超出标准要求范围。

4．黄色受温度变化影响最大，在高温条件下，向长波方向移动，颜色明显偏红，非常容易超出标准允许范围；在低温条件下，向短波方向移动，颜色变淡，向绿光方向靠拢，也非常容易超出标准允许范围。

5．月白色因为不是单色光，故不能通过主波长考察其变化，主要考察其色温的变化，色温普遍随温度的升高而升高，主波长相应的随温度升高而降低，平均波长变化不大。因为月白色标准给出的颜色允许范围也比较宽，一般不会出现因为温度影响而导致的超出标准要求范围的结果。

结合LED的发光原理可知，LED的光学参数与PN结温度有很大关系，当电流流过LED时，PN结温度将上升，把PN结区的温度定义为LED的结温。结温的上升引起半导体的晶格振动幅度增加，当原子的振动能量高于一定值时，电子从激发态跃迁到基态时，会与晶格原子 （或离子）交换能量，发生无辐射跃迁。这一过程的几率随温度的增加而呈指数式增加。同时，当温度上升时，LED封装用的环氧树脂会逐渐变性，发黄，从而影响环氧树脂的透光性能，因此，当温度上升到一定程度之后，半导体的无辐射跃迁增加，内量子效率降低，从而导致发光强度下降，有效光输出降低。

同时，LED的光学性能和半导体材料的禁带宽度Eg密切相关，结温的升高，材料的禁带宽度Eg将减小，根据公式可知，能够导致LED发光波长变长，颜色发生红移，这也从理论上说明试验结果的可靠性。

进一步分析试验结果，LED铁路信号机构中绿色、蓝色、月白色在信号识别上没有问题，一般不会超出标准允许范围；红色如果选取的LED主波长偏小 （＜625nm），则容易造成低温后颜色变浅，超出标准允许范围；黄色因为其本身波段较短，而黄色LED又容易受温度影响变化较大，如何选取合适主波长的黄色LED非常重要。

总之，LED铁路信号机构在环境温度变化时的颜色漂移需要特别的关注，在生产选定LED芯片时就应着手考虑。

［1］ 周太明，周详，蔡伟新．光源原理与设计［M］．第2版 ．上海：复旦大学出版社，2009，1．

［2］ 丁天平，郭伟玲．温度对功率LED光谱特性的影响［J］．光谱学与光谱分析2011，31（6）．