带主副光源转化的LED铁路信号光源设计与测试

孙 昊

(中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所，呼和浩特 010030)

目前，把大功率LED 作为铁路信号灯光源已经成为发展趋势。传统的大功率LED 信号灯主要有两种灯源模式，其中一种形式是点式LED 光源，维修安装不方便，维修成本高。另一种形式是盘式LED光源，该光源能降低维护成本，成为目前的主流。本文提出一种带有主副光源转换的盘式LED 光源的设计方案，通过测试，该光源能大大延长信号灯的使用寿命，进一步降低维修成本，且安装方便。

1 光源设计

1.1 光源的选择

该LED 铁路信号光源发光盘采用17 个LED和菲氏透镜以独特的方式组合构成。光源采用仿流明LED 贴片XP-E2，如图1 所示，单颗功率为1W。XP-E2 LED 是基于新一代LED 平台采用先进的碳化硅(SiC)技术制作而成，在LED 芯片结构及荧光转换上具有卓越特性，可以在同样功率条件下提升流明输出。XP-E2 的特点如表1 所示。

图1 XP-E2实物图Fig.1 XP-E2 physical picture

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

为发光盘提供恒定电源的是LED 驱动电路。LED 驱动电路主要IC 采用MPS 2370 电源芯片，MPS 2370 是具有内置功率MOSFET 的单片降压LED 驱动器，在宽输入电源范围内能够实现1.2 A峰值输出电流，具有出色的负载和线路调节功能。电流模式运行提供快速的瞬态响应并简化环路稳定,可有效保证LED 铁路信号灯的发光效率、光通量、散射特性和稳定性。MPS 2370 LED 驱动的主要特点如表2 所示。

表2 MPS 2370 LED驱动的主要特点Tab.2 Main characteristics of MPS 2370 LED driver

发光盘由外圈均匀排列的8 颗LED 呈圆形状和中心设置1 颗LED 作为主光源。第二圈均匀排列8 颗LED 呈圆形状为副光源。9 颗主光源LED和8 颗副光源LED 安装在铝基板上。

1.2 光源透镜的功能配套设计

为聚焦光源，在发光盘前方设置聚光片。聚光片由9 颗主光源和8 颗副光源（直径为单颗30 mm）的凸透镜陈列，其中心与发光盘上主光源的9 颗和副光源的8 颗LED 陈列对应，如图2 所示。聚光片的材质为聚碳酸酯，聚碳酸酯是一种强韧的热塑性树脂，因具有高透光率、高折射率、高抗冲性、尺寸稳定性及易加工成型等特点，被广泛应用于光学透镜领域。聚碳酸酯的主要性能如表3 所示。

图2 LED铁路信号光源透镜实物图Fig.2 Physical picture of the lens of LED railway signal light source

1.3 LED光源部分散热方面的设计

由于采用的点光源是每颗功率为1 W 的大功率LED，其在发光的同时会散发大量热能，因此为了确保LED 的使用寿命和色度的稳定，控制发光体的温升，本项目采用性能优良的铝基板作为线路板。

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

9 颗主光源LED 和8 颗副光源LED 安装在直径132 mm、厚度为3.04 mm 的铝基板上。铝基板是低合金化的 Al-Mg-Si 系高塑性合金板，它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。铝基板与传统的FR-4 相比，采用相同的厚度，相同的线宽，铝基板能够承载更高的电流，铝基板耐压可达4500 V，导热系数大于2.0。铝基板散热模拟如图3 所示。

图3 铝基板散热模拟图Fig.3 Simulation diagram of the heat dissipation of aluminum substrate

1.4 电源电路部分

LED 铁路信号光源电路的MCU 采用STM32。MCU 启动后，可以实时监测外部模拟和数字输入信号，然后经过软件逻辑和运算处理，输出数字控制信号和模拟控制信号，来实时控制外部的设备。

LED 铁路信号光源电路的电压基准源采用的是可控精密稳压源TL431。输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431 的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM 控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。

电路中直流转换采用LTC3803 DC/DC 转换芯片，主电源通过DC/DC 转换为恒压输出，通过整流后输出DC14.5 V±0.3 V 提供给控制电路和LED 驱动电路。

LED 铁路信号光源的主副光源切换是根据检测工作电流来实现，电流检测放大器采用LT6106。该器件可以从高达36 V 的共模电压中分辨小的差分信号，LT6106 的输入失调电压仅为250 μV(最大值)，满标度差分输入为500 mV，具有2000：1 的动态范围。其输入偏置电流保证不高于40 nA，基本消除了偏置电流成为误差源的问题。LT6106 可以承受高达44 V 的共模电压，并可以在3.5 μs 之内响应信号变化，其工作温度范围为-40 ℃～125 ℃。

当LED 主光源在30%灯珠短路或者开路时，光源自带报警继电器提供一组常闭和一组常开回路，供用户选择与信号采集系统连接（如信号采集器、LED 光源配套的点灯单元），同时向室内报警系统发码报警；当主光源灯珠损坏大于50%时，光源自动转换到副光源显示，切断主光源LED驱动电路，同时保证信号开放电路工作电流大于100 mA 以上，以维持室内灯丝继电器工作。电源电路板如图4 所示。

图4 电源电路板实物图Fig.4 physical picture of power circuit board

2 光源测试

2.1 光源显示测试

LED 光源连接LED 光源配套的点灯单元，在主光源正常点灯状态下，按下测试按钮（模拟主动故障），主光源切换至副光源。同时点灯单元通过报警线向室内报警系统发码报警，但线路电流保持＞100 mA 以上。松开测试按钮，恢复主光源工作。主光源和副光源切换工作状态如图5 所示。

图5 主光源和副光源切换工作状态Fig.5 Switching between the main light source and the auxiliary light source

主副光源转换和报警测试如下。

1）正常点亮时，点灯单元故障，指示灯不亮。

2）断开主丝， 点灯单元故障，指示灯亮灯。

2.2 光轴偏差测试

要保证主光源切换至副光源后，其光轴处于同一轴线上。否则，光轴产生角度偏差，对列车行车会产生恶劣影响。LED 光源出光轴线依据《铁路灯光信号发光强度》（TB/T 2353-1993）测试要求，用额定电压点灯，在暗室中距离被测灯L处放置白板，调整灯光方向和焦点，使光斑最亮点对准白板中心。用多功能光度计测量白板中心的光照度E，则光强I=E×L²。照度测试结果如图6 所示。

通过实验室、国家铁路产品质量监督检验中心等多方测试、试验，该LED 铁路信号光源具有光通量高、可视距离远、穿透力强、灯光颜色稳定的特点，散热措施良好，在寿命期内符合TB/T2081-1989 的规定，并且电压稳定，测试过程中没有出现传统白炽灯的亮度会随着电压的变化而出现发暗或者过度发亮的现象。

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

3 结束语

新型盘式大功率LED 铁路信号光源的设计成果利用现代电子技术控制17 个点阵式大功率LED 铁路信号光源，大大提升了信号灯的性能，具有主副光源切换报警和自保护功能；同时可以提供更高的亮度、更清晰的显色效果、更远的可视距离。LED信号光源代替传统卤素灯、白炽灯是技术发展的必然趋势，同时新型LED 信号灯可解决传统信号灯的可视距离不足问题，对铁路行车安全意义重大，安全效益明显，具有广阔的应用前景。