通用型LED信號機構的應用研究

李林

【摘 要】隨著鐵路技術裝備現代化建設的快速發展，鐵路信號設備滯后的問題開始顯現。尤其是現有的采用雙絲白熾燈作為發光光源的鐵路信號燈存在耗能、亮度低、易發熱、易損壞、壽命短的技術問題，已經不能滿足目前高速發展的鐵路需求。鐵路運輸部門迫切需要一種亮度更高、壽命更長和安全可靠性更高的鐵路信號燈。LED是一種新型固態冷光源，以其光效高、節能、壽命長、體積小、重量輕、環保和響應速度快等特點被廣泛應用于各種場合。尤其是光效高、壽命長、節能環保使其成為人類照明歷史上的第四代綠色照明光源。在目前鐵路事業快速發展的時代，把它作為鐵路信號燈的發光光源具有重要的研究意義。

【關鍵詞】LED；信號；應用

1引言

現階段，隨著鐵路行車向高速度、高密度和重載發展，鐵路信號設備的地位和作用日見突出，要實現鐵路運輸現代化及行車指揮現代化，首要的任務就是必須優先實現鐵路信號設備的現代化。而鐵路信號燈是鐵路信號設備中重要的組成部分，所以它的發展對鐵路事業的發展是至關重要的。現有的鐵路信號燈已無法滿足鐵路高速發展的需求，鐵路運輸部門迫切需要一種亮度更高、壽命更長和安全可靠性更高的鐵路信號燈。

2 LED基本原理

2.1 LED發光機理和結構

LED芯片通常用III-IV族化合物半導體，如GaAs、GaP、GaAsP等半導體制成的，其核心是PN結。當PN結外加一個正向偏置電壓時，即P端接電源正極，N端接負極，PN結勢壘下降，P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于出現大量電子向P區擴散，構成對P區少數載流子的注入。這些注入的電子和空穴在PN結處相遇發生復合，將多余的能量以光的形式釋放出來，這就是LED的發光機理。

2.2大功率LED特點

大功率LED是指額定功率在1W以上的發光二級管，普通LED功率一般為0.05 W、工作電流為20 mA，而大功率LED可以達到1W、2W、甚至數十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。

（1）節能：LED能量利用率高，效率可達80-90%；

（3）綠色環保：大功率LED不含鉛、汞等污染元素，對環境沒有任何污染；

（3）壽命長：使用壽命高達50，000小時以上；

（4）可靠：耐沖擊，抗震力強，光源穩定性好；

（5）啟動無延時：LED在納秒級，通電即達正常亮度，無須等待；

（6）適用性好：體積小，重量輕，可以封裝成各種形狀；

（7）色彩純厚：由半導體PN結自身產生色彩，純正，濃厚；

（8）無頻閃：純直流工作，消除了傳統燈頻閃引起的視覺疲勞。

大功率LED的這些優點，意味著它具有廣泛的應用前景。但是它的發光機理決定了它用于照明的一些缺點。它不能直接應用，需要根據照明設計指標進行二次光學系統設計，利用透鏡盡可能多的收集光能并重新配光。

3 LED鐵路信號燈光源的整體設計方案

一般來說，照明系統設計中最主要的是光學系統設計，它主要解決光源光能量的收集問題并實現預先指定的光場分布。大功率LED鐵路信號燈光源是點光源照明，所以基于成像光學理論進行照明光學系統設計。這是因為在成像光學中只有點才有嚴格的物象共扼關系。雖然照明系統關注的目標和成像系統有很大的不同，但有一些照明光學系統卻應用了成像光學器件，如透鏡、球面反射鏡、二次曲面反射鏡等，而且在設計的過程中直接應用傳統成像光學理論進行設計。

3.1 LED鐵路信號燈光源照明系統的總體結構

根據LED鐵路信號燈光源中技術指標的要求，先進行光源的光學結構的設計。為確保信號燈持續穩定的工作，需要在傳統鐵路信號燈點光源位置上，設置主、副兩組光源來模擬傳統的雙絲白熾燈。當主光源一旦發生故障可及時轉換到副光源繼續使用，以保證列車的安全運行。因此本光源按主副光源結構進行設計，為了使主副光源都能有良好的光效和散角。

傳統的鐵路信號燈是采用菲涅爾透鏡結合雙絲白熾燈的放置方向來進行光學系統的設計，但是將白熾燈換成人功率LED光源后，就需要排放兩組LED光源。由于兩個點光源之間存在距離，便形成了兩個離軸的點光源，通過原有的菲涅爾組合透鏡后不能達到聚光的效果。由于產生的光斑不能完全重疊，便形成了重影現象。

為了解決重影現象，達到理想的亮度均勻性和高光效，經過查閱大量文獻后，作者考慮在LED陣列光源上應用復眼透鏡照明系統。以此來解決兩個LED燈造成的重影現象和提高光的均勻性。為了減少成本，本文設計中繼續采用原有的菲涅爾透鏡做聚光透鏡，在LED陣列前加復眼透鏡和聚光杯來達到鐵路信號燈光源的光學技術指標。

3.2復眼透鏡照明系統

復眼透鏡又稱為積分透鏡，不但可以提高光斑的均勻性，而月不降低出光效率。復眼透鏡陣列的表面是由很多顆小透鏡陣列而成的，其小透鏡一般都是平凸透鏡。

LED陣列光源的尺寸和復眼透鏡的全直徑基本相等，且復眼透鏡的小透鏡的口徑非常的小。所以LED出射的光線相對于復眼透鏡的小透鏡可以近似看做平行光線。因此，光源出射一的平行光束投射于復眼透鏡上，復眼透鏡上的每個小透鏡將入射的平行光束會聚于復眼透鏡之后。即兩個光源被形成多個光源像，再經菲涅爾組合透鏡使每一個光源像成像于無限遠處，并形成重迭的照明。這樣經過設計之后就可以很好的消除重影現象，提高光照度的均勻性。

結束語

綜上所述，采用大功率LED作為發光光源，通過內部的功能電路，完全模擬白熾燈光源的電氣、物理性能，來研制新的鐵路信號燈光源。在兩年時間中，研發人員克服了種種技術困難，此光源采用大功率LED作為發光光源，為了能更好的代替傳統的白熾燈，并實現信號燈的安全穩定的工作，對大功率LED的光學系統、點燈電路及控制電路進行了匹配設計。綜合采用了復眼照明系統、抗雷擊浪涌、EMI、功率因素矯正（PFC）、開關電源、電流電壓檢測控制等技術，實現了鐵路信號燈的長壽命、高亮度、持續穩定的工作。由于此光源采用點式發光光源設計的，所以體積小、功耗小、結構簡單，便于安裝和更換白熾燈，且滿足與現有信號燈機構的配套使用，不需要再添加任何設備，減少了更換成本和更換的工作量。并且能夠進行電路自診斷和主副燈轉換，從而提高了LED信號燈的安全性和可靠性。

參考文獻：

[1]張海南，王正權.大功率LED鐵路信號燈的研究[J].上海鐵道科技，2008，（4）：4-6.

[2]公文禮.LED光源在礦用防爆燈具中的應用[J].燈與照明，2010，34（3）：36-40.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）