一種點光源型LED鐵路信號機技術

隋功浩 齊小民

隋功浩:西門子信號有限公司 工程師 710016 西安

齊小民:西門子信號有限公司 工程師 710016 西安

多年來，我國鐵路一直采用傳統的以白熾燈泡為光源的色燈信號機，其主要缺點是可靠性差、易斷絲、功效低、壽命短(2000 h左右)。為了提高信號顯示的可靠性和延長燈泡的使用壽命，提出了采用LED技術研制開發LED鐵路信號機(以下簡稱LED信號機)。它具有無電流沖擊、顏色純正、效率高、壽命長(可達到10萬h)、能源省、免維修的特點，可以有效解決燈絲斷絲問題，其同類產品的應用前景廣闊，潛力巨大。

傳統的白熾燈光源由主、副燈絲組成。正常情況下是主燈絲點亮。一旦主燈絲故障，副燈絲點亮同時報警。LED信號機按光源類型可以分為點陣式和點光源型。點陣式LED信號燈光源如圖1所示，由多顆發光二極管組成陣列，當損壞的二極管達到一定數量時，信號機進行報警。點光源型LED信號燈如圖2所示，由單顆或數顆功率不低于1 W的高亮度發光二極管組成。正常點亮時，中間的主LED亮。在主LED故障的情況下，由旁邊2顆LED并聯組成的副LED燈點亮，同時信號機向室內進行報警。

早期LED信號機的主要問題反映在LED的光學參數上，尤其是黃光的色坐標和光強達不到鐵標要求，所以之前的LED信號機研發以點陣式LED光源為主。但是點陣式LED因為其自身的特點，還不同程度地存在某些不足。隨著LED的技術發展，LED光學問題已基本得到解決，這也為點光源LED的研發和推廣提供了必要的條件。

1 點陣式LED信號機應用中的主要問題

1.監督繼電器問題。由于LED個體損壞，使LED工作電流下降，當LED損壞達到一定數量后，導致電流監督繼電器不能可靠吸起。

2.燈絲安全。燈泡由燈絲發熱而亮燈，具有明顯的兩值特性，燈絲正常亮燈，斷絲而滅燈。LED發光盤本身不具有明顯的兩值特性，且點陣式LED信號機使用LED數量較多，其個體損壞是必然的，個體LED損壞會導致光強有明顯的變化。

3.燈絲檢查。鐵路信號機應具備的基本功能是在亮燈時進行熱絲檢查，用于確認信號已正確顯示;在滅燈時進行冷絲檢查，用于檢查燈絲是否完整，預防信號不能開放。但對LED發光盤進行燈絲檢查時，情況和燈泡不同，冷絲檢查一般可用脈沖電流，在點陣式LED信號機中，脈沖檢查可能使LED產生可見光，在滅燈狀態下產生可見光是鐵路信號絕不允許的。

4.接口兼容。由于LED的發光效率高，在同等光強下，LED發光盤需要的功率比白熾燈泡小。如用LED替換25 W燈泡時，大約只需要4～8 W。電壓和電流決定功率的大小，當控制電路的輸出電壓一定時，由于燈絲繼電器的工作需要，電流不能減小，因此，直接替換遇到了困難。為了與既有設備直接接口，現有的大部分點陣式LED信號機使用專用的點燈單元和燈絲繼電器，與現有的接口不兼容。

點陣式LED信號機在使用生命周期中存在光強變動大、誤動多等不足。對于LED發光單元，能否實現類似白熾燈泡二值轉換功能，就是要么LED發光單元正常發光，要么就斷掉轉換為備用LED發光。為此研發了高可靠性、高安全性的點光源型LED信號機構。

2 點光源型LED信號機工作原理

點光源型LED信號機不需改變原有室內信號機控制電路和室內到室外變壓器的電纜，直接與室內控制電路連接，供電方式與透鏡式色燈信號機構相同。LED信號機具有防雷、EMI抑制、門限檢測、主副LED轉換和報警輸出功能，可以成功替換傳統雙燈絲燈泡。

點光源型LED信號機組成主要包括信號機構、發光組件和控制組件3部分，其組成框圖如圖3所示。

圖3 點光源型LED信號機組成圖

1．信號機構分為2部分:①燈室，為發光單元提供了安裝位置與空間;②透鏡組，包括透鏡架、1塊內梯透鏡和1塊外梯透鏡，與發光組件和控制組件配合組成信號單元。為了達到和傳統雙燈絲信號機的兼容性，這2部分均完全采用傳統信號機構的解決方案，使用標準信號機構。

2．LED信號機的發光組件采用全新LED高亮發光芯片，選擇紅、綠、黃、藍、月白5種顏色，故而與之配合的透鏡組合只需保證無色透明即可。點光源由少數幾個LED組成，分為主、副2部分。主芯片損壞即轉為副芯片點亮并報警，完全不會導致通路電流的減小及監督繼電器不能正常吸起，具有原理上的優勢。其發光強度、色坐標、光束散角等光學性能也滿足鐵道部技術要求。

3．控制組件由控制單元、配載電阻和單元安裝裝置組成。為了兼容現有的接口，控制組件用配載電阻消耗電流。LED信號機供電可采用標準的鐵路信號變壓器BX-34+JZSJC或其他標準的點燈單元，LED信號機原理框圖如圖4所示。在圖4中供電采用標準的點燈單元;J1監督繼電器為JZXH18繼電器。模塊的正常工作電壓為AC 12(1±10%)V，在正常工作電壓范圍內，監督繼電器(JZX-H18)可靠吸起，吸起電流大于100 mA，LED光源光學參數達到標準要求。

4．控制單元由EMC模塊、電源模塊、控制模塊和LED驅動模塊組成，其工作原理如圖5所示。

5．電源模塊采用開關電源的工作方式，將AC 12 V轉為DC輸出，提供給邏輯電路和LED光學組件。電源模塊采用了冗余電源，在主電源故障的情況下，可以自動切換到副電源，不影響控制組件正常工作。同時，通過邏輯控制模塊向室內發出報警信息。

當主LED出現故障(斷路或短路)，邏輯控制模塊接通副LED發光，并自動輸出報警，不影響信號系統正常工作。

當主、副LED均故障(滅燈情況下)，配載電阻斷開模塊自動切斷配載電阻，監督繼電器電流小于40 mA，輸出報警。

6．LED信號機的抗干擾門限電壓優于鐵標要求的120 V。主、副LED切換模塊預留切換接口，便于現場維修人員檢修。

3 點光源型LED信號機的特點

與傳統雙燈絲燈泡和透鏡組的透鏡式色燈信號機相比，點光源型LED信號機具有以下特點。

1.發光二極管采用高亮度器件，壽命周期中光強較穩定。

2.色燈信號機發光面直徑根據信號燈的規格及安裝機構的需要可選，與發光單元無關。

3.LED模擬點光源，滿足現有的透鏡機構，適用性強。

4.與現有信號點燈電路兼容，不改變室內控制電路，不增加室內到色燈信號機的電纜。

5.較好的EMI抑制功能，輸入電壓門限優于鐵標要求的120 V。

6.主、副LED故障后線路電流小于40 mA(站內信號燈)，監督繼電器落下報警。

7.雙電源系統。主電源故障后自動切換到副電源，并通過繼電器向室內報警。

8.操作習慣與雙燈絲燈泡完全一致。

9.安裝與維護快捷安全。

4 結束語

點光源型鐵路LED信號燈具有節能、可視性好、免調整、免維護、長壽命等優點，而且和現行通用的車站6502型的點燈控制電路結構接口完全兼容，可以安裝于既有的信號結構，其操作習慣和白熾燈燈泡完全一致，亦可以進行現場主、副絲檢查。其設計嚴格遵循了故障-安全原則，具有很高的安全性能，具有非常光明的市場前景。

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