大功率LED铁路信号灯的设计和应用

张立杰

内蒙古包钢钢联股份有限公司运输部，内蒙古 包头 014010

0 引言

铁路信号灯包括小功率发光二极管及双丝白炽灯。在实际使用中，双丝白炽灯存在一些不足，容易增大相关设备维修人员的工作量，而且光的强度也较低，使用寿命较短。因此，在我国铁路和城市地铁中，主要使用小功率发光二极管作为光源，其有着节能、性能稳定等优势。然而，为了满足信号灯的光亮度指标以及光效性等方面的要求，需要应用大功率LED铁路信号灯，采用大功率LED铁路信号灯是保证铁路信号设备稳定运行的基础。在此过程中，相关工作人员需要选用具有优异性能的光源器件，以此保证信号灯的安全使用，并实现信号灯的故障报警。

1 大功率LED铁路信号灯的应用优势

大功率LED铁路信号灯（见图1）具有较高的光效，而且无色变，有着集中的光源和良好的色饱和度，同时信号灯的使用寿命也较长。使用大功率LED信号灯，可以满足铁路信号灯光强度、灯色坐标及发光散角等方面的标准与要求，并与当前的信号灯机构配套使用，可以减少现场的设备更换量。在研制红色、蓝色、绿色、黄色及月白色等各色光源后，还应合理设计光源的安装机构与结构，采用主副光源结构，从而有效转换主副光源，并实现主丝的断丝报警功能，弥补小功率LED信号灯存在的缺陷，满足铁路信号灯的实际使用要求。与此同时，通过设计底座和现场信号机构、光源体支架恒流供电、电压门线控制方式等，可以改进大功率LED铁路信号灯的性能，完善其功能，从而全面满足铁路信号灯的现场作业要求[1]。

图1 铁路信号灯

2 大功率LED铁路信号灯的关键技术

LED属于场致发光光源，是一类半导体器件，能够将电能转化为光能；将大功率LED作为铁路信号灯的发光光源时，采用成熟的封装技术及热管技术，可以保证信号灯光源的热量散发，延长铁路信号灯的实际使用寿命；通过应用防雷及抗电磁干扰等技术，可以提高大功率LED铁路信号灯的抗干扰性能，更好地满足铁路电气化运行的相关要求[2]。

2.1 LED发光技术

LED的电特性和普通二极管相同，其发光部位主要位于PN结两端，当通路中有正向电压时，P区中的空穴会流入N区，同时N区中的电子会流入P区。在此过程中，多数载流子在与少数载流子发生重合后会释放能量，此部分能量会转化成热能与光能。以LED作为信号灯光源，具有十分显著的优势。LED主要使用直流低压电源，其供电电压维持在6～24 V，对比同光效的白炽灯，其能耗减少了80%，属于节能型器件；LED灯具的使用寿命较长，一般能够使用100 000 h。

如今，在国际范围内相对成熟的LED单芯片的功率能够达到3 W，但颜色种类较少，无法满足铁路交通信号灯的使用需求；当LED芯片的功率为1 W时，其产品具有稳定性能，而且颜色种类也相对丰富，通过相关技术的支持，可以满足铁路交通信号灯的使用需要。

铁路信号灯的光源颜色主要包括白、绿、蓝、黄、红五种[3]，而在大功率LED铁路信号灯中，在研制绿、蓝、黄、红这四色光源时相对顺利，但研制白色光源时有较大难度。依据人们在可见光方面的研究，人眼能够看到的白光至少应为两种光混合（如黄色光和蓝色光混合），也就是二波长发光；也可以为三波长发光模式，包括红色光、绿色光及蓝色光。采用以上两种模式，均能制造白色光。通过荧光粉与蓝光技术的配合，可以形成白光，进而制造白光芯片。但通过检测可以发现，常规LED白色发光材料发出的白色光谱无法满足铁路信号灯对白色光的光谱需求，因此，还需要进一步加大研究力度。在剖析LED的发光原理后，可以发现涂层材质与厚度对LED的色彩和发光光谱具有重要影响。通过反复试制芯片涂层材料以及对涂层厚度展开相关试验，可以研制得到大功率LED白色光源[4]。

2.2 LED散热技术

一般情况下，大功率LED光源的部件温度对器件寿命、出光效率及发射波长等会产生直接影响，需要加大对温度的控制力度，确保温度维持在允许范围内。LED作为场致发光光源，在加上电压后会有热能及光能产生，在点亮大功率LED信号灯的光源时会产生高温。通常情况下，LED的发光波长会随着温度的变化而改变，还会对其光谱宽度、颜色的鲜艳度产生影响；在PN结处有正向电流流过后会产生发热性损耗，进而导致PN结区出现温升现象。在室温环境条件下，每升高1 ℃，LED发光强度将会减少1%左右。要想保证LED色度的稳定性，延长其使用寿命，就需要严格控制发光体温度。

具体来说，研究人员可以采用表贴封装技术及热管技术来解决芯片散热问题，维持LED光源相关技术指标的稳定性。其中，热管可以利用气液变化期间的吸放热过程，使热管具有良好的导热能力。在实际应用热管技术时，主要通过工作流体的冷凝和蒸发过程传递热量。热管的工作流体包括低温状态下应用的氮与氦，以及高温状态下应用的钾与钠等液体金属。通常来说，比较常见的热管工作流体包括甲醇、水及氨等。热管的组成部分包括端盖、吸液芯及管壳。研究人员可在管内设置较高的真空度，并在其中充入适量的工作流体，确保毛细多孔材料中充满液体，然后对其有效密封。结合封装的LED芯片与热管，利用散热片，可以传递LED芯片中的热量，解决芯片的散热问题[5]。

2.3 抗电磁干扰技术

如今，随着科学技术的快速发展，电子设备日益普及，但同时产生了严重的电网噪声及射频干扰问题，尤其是瞬态噪声干扰，其持续时间较短，具有较快的上升速度，而且电压振幅较高，有着较强的随机性，会严重干扰电子设备的运行。对此，应提高信号设备的抗干扰性能。具体来说，在设计大功率LED铁路信号灯的电路时，应在灯丝变压器的电流整流和次级输出间增设一级抗电磁干扰滤波器，以此抑制电网噪声，提高电子设备的运行可靠性和抗干扰能力，避免干扰其他电子设备的正常运行。

2.4 防雷电技术

在电源电路的防雷基础上，需要增设防雷单元，具体来说，需要由防雷管、压敏电阻及瞬态抑制二极管共同组成相应的三级保护系统，降低雷电及浪涌对设备造成的冲击。

3 大功率LED铁路信号灯的设计

在设计大功率LED铁路信号灯时，应保留原信号灯的菲氏组合透镜，使用无色透镜，从而解决有色透镜在外部强光照射时出现的反射问题，提高信号灯的使用效果和安全性；对于点灯监督装置，其光源驱动电路应采用电压门线控制模式及恒流供电设计，以此解决由于负载变化与输入电压波动等引发的信号灯故障问题。

3.1 光源结构设计

3.1.1 主副光源结构的设计

为了维持信号灯的稳定运行，需要合理设计主副光源结构。具体来说，设计人员应在铁路信号灯的光源位置同时设置主光源和副光源。其中，副光源作为备用光源。一旦主光源出现故障问题，可及时转换到副光源，从而维持信号灯的继续使用，保证列车运行的安全性。

3.1.2 菲氏组合透镜的应用

结合铁路信号灯光源结构，内梯与外梯透镜和光源剂可以共同组成信号灯机构。在符合相关标准的基础上，为了减少LED芯片的使用量，使LED芯片的发光能够最大限度地在外梯透镜上聚集，需要在对LED芯片进行封装时合理应用聚集透镜。与此同时，还需要将外梯的有色玻璃透镜替换为透明无色的外梯透镜，从而使光源的色彩具有较高的真实性，避免外部强光照射时小功率LED的大面积光源反射现象。为了维持主光源和副光源的光效，需要对组内芯片采取横向排列的方式，使两组光源能够保持上下横向排列，从而全面提升应用效果[6]。

3.2 信号灯监督装置设计

信号点灯监控装置可为信号灯的正常运行提供电源，并监督其工作状态。一旦信号灯受到损坏而熄灭，点灯监督装置可及时将信号灯切换到备用灯，并发出故障警示，使维修人员能够及时到场开展维修更换工作。结合铁路信号的维修规定，点灯监督装置在匹配信号灯后还需要具备主副丝转换、电源监督及主灯丝断丝报警等功能，并且要考虑抗干扰及供电电源波动等相关因素，使点灯监督装置的运行可靠性得到保证。

高柱信号机杆中的电源线会产生分布电容，进而干扰光源的点灯电路，为了隔离此干扰，需要在光源驱动电路中将灯丝变压器的次级输出作为控制电源的输入，并以继电器断开接点作为相应的主丝故障报警输出。在整流灯丝变压器次级输出交流电压后，能够获得脉动直流电压，之后经过电解电容的补偿与滤波，可以输出较为平滑的直流电压。在此过程中，需要应用精密稳压集成电路，消除输入电压的波动及负载变化导致的电压不稳现象，输出稳定的直流电压。此集成电路具有过流、过压及过热等保护功能，可通过电压门限控制模式和恒流供电解决相关的信号灯故障问题[7]。

3.2.1 恒流供电技术

在LED上流过的电流对其发光亮度的一致性及稳定性具有直接影响，而且温度与使用时间也会直接影响LED的使用寿命。在实际采用大功率LED信号灯时，应采用恒流供电技术，其不仅耐冲击，还具有较强的抗干扰能力。

3.2.2 门限控制技术

为了防止电气化牵引电流对电路造成的干扰，应采用门限控制技术，当电压值达到相关标准后，可接通灯丝回路，保证点灯的正确性。

3.3 支架和底座的设计

在铁路信号灯的支架和底座装载光源体，支架和底座与铁路信号灯灯箱保持相互绝缘的关系，能够和现有信号机构实现互换。通过移动支架和底座，可以调整光源焦距，其移动方向主要包括上下、前后、左右。与此同时，在支架上设置相应的检测按钮，能够检测主副光源的转换功能。在支架上安装螺杆，可方便光源体的安装和更换，使其能够与支架有效连接。除此之外，还可在支架上安装另一组螺杆，确保信号及点灯电源能够有效接入[8]。

4 结束语

综上所述，为了保证铁路信号设备的稳定运行，需要充分研究与开发大功率LED铁路信号灯，其具有明显优势，而且在许多领域具有广阔的应用前景，如城市交通、民用、军事及航空等相关领域。研究人员应针对大功率LED铁路信号灯开展研究工作，从监督装置、光源研制等方面合理优化大功率LED铁路信号灯的设计，完善其具有的功能。