LED顏色漂移對(duì)鐵路信號(hào)應(yīng)用產(chǎn)生的影響

李豐田 王朝霞 周張鈺

隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED光源因其功耗低、使用壽命長(zhǎng)、燈光顏色純度高等特點(diǎn)，在鐵路信號(hào)領(lǐng)域逐漸展開(kāi)應(yīng)用。從最初的LED鐵路手執(zhí)信號(hào)燈、LED機(jī)車標(biāo)志燈、LED列車尾部側(cè)燈，逐漸拓展到LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)，更是作為新型綠色照明光源受到全球的追捧。本文從理論和試驗(yàn)出發(fā)，研究并分析了環(huán)境溫度對(duì)LED性能的影響，探討提高LED壽命和可靠性的方法。

相對(duì)于色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)由燈泡經(jīng)過(guò)色燈信號(hào)玻璃所產(chǎn)生的色光，LED光源的發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)，燈光顏色純度更高，其中尤以紅色、綠色、藍(lán)色最為明顯，其燈光的顯示距離也大幅增加。但在使用過(guò)程中，LED光源因發(fā)光受溫度影響較大，在環(huán)境溫度變化時(shí)，顏色也會(huì)出現(xiàn)明顯變化，稱之為顏色漂移。一旦顏色漂移過(guò)大，就可能出現(xiàn)顏色識(shí)別困難，導(dǎo)致顏色誤判，這對(duì)鐵路信號(hào)是絕對(duì)不允許的。本文著重對(duì)紅 （H）、黃 （U）、綠 （L）、藍(lán)（A）、月白 （B）5種色光，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許的環(huán)境溫度變化極限條件下，進(jìn)行顏色漂移試驗(yàn)，分析其產(chǎn)生原因，提出解決建議。

1 LED的發(fā)光原理

LED是一種半導(dǎo)體二極管，由Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）等半導(dǎo)體制成，核心發(fā)光部分為P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)。PN結(jié)根據(jù)其端電壓構(gòu)成一定的勢(shì)壘，在正向電壓下，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)出光子，其發(fā)光原理如圖1所示。

理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長(zhǎng)或者頻率取決于所選用的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，單位是電子伏 （eV）：

式中，h為普朗克常數(shù)；q為載流子所帶電荷（C）；c為光速 （m／s）；λ為所發(fā)出光波長(zhǎng) （nm）。從 （1）式中可以直觀地看到，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg越小，出射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，反之越短。因此，若能產(chǎn)生可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380～780nm，半導(dǎo)體材料的Eg值應(yīng)在1．63～3．26eV之間。

圖1 LED的發(fā)光原理圖

2 LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)的基本形式

LED在鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用最初是從小功率LED，即Φ5的LED發(fā)光管開(kāi)始，隨著技術(shù)的成熟，大功率LED也逐步發(fā)展成熟。根據(jù)TB／T3242－2010中的規(guī)定，LED鐵路信號(hào)燈分為點(diǎn)式和盤式2種結(jié)構(gòu)形式。

點(diǎn)式機(jī)構(gòu)是由大功率LED信號(hào)燈泡替代原來(lái)的鐵路信號(hào)燈泡，與色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)的光系統(tǒng)進(jìn)行配合，從而輸出色光信號(hào)。

盤式機(jī)構(gòu)是由LED發(fā)光盤、發(fā)光盤卡圈、點(diǎn)燈控制電路、燈箱等組成。其中發(fā)光盤是由多顆LED發(fā)光管組成。根據(jù)所用LED的不同，具體分為大功率和小功率2種類型。大功率采用多顆大功率LED在同一個(gè)幾何平面內(nèi)分布排列，通過(guò)專門設(shè)計(jì)的二次光學(xué)系統(tǒng)將發(fā)散光變?yōu)闇?zhǔn)平行光后，將大功率LED發(fā)出的光投射出去；小功率即為最先出現(xiàn)的盤式LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)，使用90～120顆Φ5的LED發(fā)光管，在同一個(gè)幾何平面密布排列，經(jīng)過(guò)二次光學(xué)系統(tǒng)蜂窩式透鏡匯聚變?yōu)闇?zhǔn)平行光后投射出去。

由于LED發(fā)光原理的不同，所以點(diǎn)式機(jī)構(gòu)和盤式機(jī)構(gòu)均需要增加相應(yīng)的控制電路和抗電磁干擾防護(hù)電路。

3 LED的顏色漂移試驗(yàn)

按照TB／T3242－2010規(guī)定，LED信號(hào)機(jī)構(gòu)的燈光顏色應(yīng)符合 《TB／T2081－1989鐵路燈光信號(hào)顏色》的規(guī)定，即參照國(guó)際照明委員會(huì) （簡(jiǎn)稱CIE）推薦的燈光顏色范圍。標(biāo)準(zhǔn)中給出了在鐵路上應(yīng)用的各種信號(hào)燈光顏色，應(yīng)該位于色度圖中相應(yīng)的顏色范圍。

對(duì)于點(diǎn)式機(jī)構(gòu)主要采用以下幾種組合。

1．用白色大功率LED信號(hào)燈替代普通信號(hào)燈泡與色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)透鏡系統(tǒng)組合使用，利用老機(jī)構(gòu)色玻璃的顏色。該方式顏色較為穩(wěn)定，但因白色大功率LED光譜與色玻璃透射光譜匹配上存在問(wèn)題，綜合的光度利用率低，在長(zhǎng)波方向光度輸出非常低，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的發(fā)光強(qiáng)度有一定困難。

2．色光大功率LED信號(hào)燈泡與色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)透鏡系統(tǒng)組合使用，采用色光和色玻璃結(jié)合。該方式較容易達(dá)到光強(qiáng)度輸出要求，但因色光信號(hào)受色玻璃和色光LED雙重影響，在選取合適的色光LED時(shí)有較大難度。

3．將色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)中的色玻璃用無(wú)色玻璃替代，再與色光大功率LED信號(hào)燈組合使用。這種方式只是利用老機(jī)構(gòu)系統(tǒng)光路，而燈光顏色完全靠LED自身發(fā)光。該方式容易和老系統(tǒng)結(jié)合，但也因?yàn)槠渖庑盘?hào)完全由色光LED產(chǎn)生，容易受環(huán)境溫度變化的影響，導(dǎo)致顏色漂移比較嚴(yán)重。

盤式機(jī)構(gòu)無(wú)法和老機(jī)構(gòu)光系統(tǒng)匹配使用，色光信號(hào)均由色光LED產(chǎn)生，故也容易受環(huán)境溫度變化影響，產(chǎn)生顏色漂移。

試驗(yàn)采用不同批次的LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)，分別獨(dú)立按照TB／T3242－2010中規(guī)定的極限環(huán)境溫度，進(jìn)行高溫試驗(yàn)和低溫試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下。

高溫試驗(yàn)：＋70℃，亮燈狀態(tài)，保持2h。

低溫試驗(yàn)：－40℃，滅燈狀態(tài)，保持2h。

試驗(yàn)中分別記錄同一個(gè)發(fā)光單元在常溫、高溫、低溫條件下的色溫 （T）、主波長(zhǎng) （λ0）、平均波長(zhǎng) （）等，具體數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。

4 顏色漂移試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)后，將同一機(jī)構(gòu)組分別在2種極限環(huán)境條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)與常溫條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出以下結(jié)論。

1．在高溫條件下，紅、黃、綠、藍(lán)4種單色光均有不同程度的紅移現(xiàn)象，即主波長(zhǎng)向紅光的長(zhǎng)波方向移動(dòng)；在低溫條件下，4種單色光均有不同程度的藍(lán)移現(xiàn)象。

表1 5種色光信號(hào)在不同溫度下的特性參數(shù)

2．綠色、藍(lán)色雖然主波長(zhǎng)和平均波長(zhǎng)均有變化，但變化相對(duì)較小，同時(shí)因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)給出的顏色允許范圍比較寬，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)闇囟扔绊懚鰳?biāo)準(zhǔn)范圍。

3．紅色受溫度變化影響時(shí)，在高溫條件下，向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，因標(biāo)準(zhǔn)允許范圍非常寬，基本不造成任何干擾；在低溫條件下，向短波方向移動(dòng)，有時(shí)會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

4．黃色受溫度變化影響最大，在高溫條件下，向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，顏色明顯偏紅，非常容易超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍；在低溫條件下，向短波方向移動(dòng)，顏色變淡，向綠光方向靠攏，也非常容易超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

5．月白色因?yàn)椴皇菃紊猓什荒芡ㄟ^(guò)主波長(zhǎng)考察其變化，主要考察其色溫的變化，色溫普遍隨溫度的升高而升高，主波長(zhǎng)相應(yīng)的隨溫度升高而降低，平均波長(zhǎng)變化不大。因?yàn)樵掳咨珮?biāo)準(zhǔn)給出的顏色允許范圍也比較寬，一般不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闇囟扔绊懚鴮?dǎo)致的超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍的結(jié)果。

結(jié)合LED的發(fā)光原理可知，LED的光學(xué)參數(shù)與PN結(jié)溫度有很大關(guān)系，當(dāng)電流流過(guò)LED時(shí)，PN結(jié)溫度將上升，把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。結(jié)溫的上升引起半導(dǎo)體的晶格振動(dòng)幅度增加，當(dāng)原子的振動(dòng)能量高于一定值時(shí)，電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)，會(huì)與晶格原子 （或離子）交換能量，發(fā)生無(wú)輻射躍遷。這一過(guò)程的幾率隨溫度的增加而呈指數(shù)式增加。同時(shí)，當(dāng)溫度上升時(shí)，LED封裝用的環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)逐漸變性，發(fā)黃，從而影響環(huán)氧樹(shù)脂的透光性能，因此，當(dāng)溫度上升到一定程度之后，半導(dǎo)體的無(wú)輻射躍遷增加，內(nèi)量子效率降低，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降，有效光輸出降低。

同時(shí)，LED的光學(xué)性能和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg密切相關(guān)，結(jié)溫的升高，材料的禁帶寬度Eg將減小，根據(jù)公式可知，能夠?qū)е翷ED發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色發(fā)生紅移，這也從理論上說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果，LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)中綠色、藍(lán)色、月白色在信號(hào)識(shí)別上沒(méi)有問(wèn)題，一般不會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍；紅色如果選取的LED主波長(zhǎng)偏小 （＜625nm），則容易造成低溫后顏色變淺，超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍；黃色因?yàn)槠浔旧聿ǘ屋^短，而黃色LED又容易受溫度影響變化較大，如何選取合適主波長(zhǎng)的黃色LED非常重要。

總之，LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)在環(huán)境溫度變化時(shí)的顏色漂移需要特別的關(guān)注，在生產(chǎn)選定LED芯片時(shí)就應(yīng)著手考慮。

［1］ 周太明，周詳，蔡偉新．光源原理與設(shè)計(jì)［M］．第2版 ．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2009，1．

［2］ 丁天平，郭偉玲．溫度對(duì)功率LED光譜特性的影響［J］．光譜學(xué)與光譜分析2011，31（6）．