基于LED的铁路信号灯的研究与开发

刘定林，韩永忠，石　杨

(四川九洲光电科技股份有限公司，四川 绵阳　621000)



基于LED的铁路信号灯的研究与开发

刘定林，韩永忠，石杨

(四川九洲光电科技股份有限公司，四川 绵阳621000)

本文介绍的一种白光LED光源，可以在任意类型铁路色灯信号机构中安装使用，兼容现有铁路信号灯的供电、监测、报警系统，LED光源通过不同颜色的玻璃后，光强和色坐标符合铁路标准要求。传统铁路色灯信号机是以双灯丝白炽灯为光源，它最大的缺点是所用双灯丝白炽灯寿命低；灯丝启动电流大，对供电装置的寿命影响大；系统维护工作量大。据了解我国铁路系统传统色灯信号机约有20万～30万套，白光LED铁路信号灯的研究有很大的经济和社会意义。

LED信号灯；封装；全寿命；光学传感器

引言

据了解我国铁路系统中使用传统色灯信号机约有20万～30万套，传统铁路色灯信号机是以双灯丝白炽灯，采用内外凸透镜聚光方式。其中，无色的外透镜和有色的内透镜组成的光学系统将白炽灯发出的发散白光过滤为内透镜定义的颜色，并转换为平行光射出。铁路信号机构组成如图1所示。

图1　铁路信号机构组成图Fig.1　Structural drawing of railway signal lamp

为了保证铁路行车安全，按照“故障导向安全”的原则，白炽灯由主、副两个灯丝组成，主灯丝为主要工作灯丝，副灯丝为主灯丝备份。当主灯丝损坏时，外部检测系统检测到这一情况，自动向副灯丝供电，点亮副灯丝，同时报警。提示该“灯泡”需要更换维护。

白炽灯光源作为一种超百年的传统光源，结构简单、价格便宜、光学性能较稳定，但其发光原理决定了缺点也很明显，如寿命短(一般仅1 000 h左右)、灯丝结构脆弱(不耐震动，易断裂)、光效低等。因而信号机构用信号灯维护量很大；随着铁路事业的发展，铁路里程的不断增加，边远、偏僻地域越来越多，信号灯的实际维护难度更大。频繁的维护需求和较大的维护难度给列车安全行驶带来了一定的隐患。

近年随着LED技术的发展，采用LED作为发光显示器件的铁路信号机也逐渐开始出现。目前主要采用多颗小功率显示级LED组成发光光盘和大功率LED构成的点式光源，它们与各自的信号机构(与白炽灯铁路信号机构不兼容)组合构成盘式信号机构和点式信号机构。盘式和点式信号机构具有功耗低、工作电流小、无冲击电流、可靠性较高的特点，但是无论盘式还是点光源式LED信号机构都有以下缺点：

1)光源式均由LED颜色决定信号机颜色，所以均需有红、绿、蓝、黄、白等品种，具有品种多、维护准备工作量大的缺点。

2)与传统双灯丝白炽灯信号机构电气性能差别大，与传统供电、检测、报警系统不兼容；由于这类信号机价格昂贵，且与传统色灯信号机所配套使用的点灯单元、灯丝检测继电器均不兼容，这些设备仅在秦沈铁路、北京局等地少量使用。

3)盘式LED色灯信号机构采用的小功率LED，这种LED无专门散热通道，仅靠正负引脚导热，热阻高，长期工作光衰严重，寿命短,整体费用高，不易在全路段推广。

本文介绍了一种新型的白光LED的铁路信号灯，它具有以下特点：

1)具有发明专利的二合一型LED集成封装灯珠，这种封装利用目前最新的新型导热陶瓷的热传导原理，使用陶瓷作为LED支架，在单一的LED支架内，主/副灯间巧妙的设计，保证技术指标要求。

2)自动检测，安全报警功能，采用故障导向安全技术，该铁路信号灯采用两颗白光LED，做为主副发光器件，在电路设计上包含保护电路、2组DC-DC电路、工作状态检测电路、功率负载四大功能块。其中，为满足传统电灯机构的工作需求，功率负载将由工作状态检测电路智能判断是否接入整个工作回路。

通过精确的主/副灯“延时”工作系统，无需其它保护系统和EMI设备，并可抛开点灯单元，独立实现TB/T 3073—2003中要求的快速脉冲群测试、浪涌冲击、射频电磁场辐射抗扰度等一系列严苛的电磁兼容测试。

3)长寿命，高可靠性，白炽灯光源作为一种现世超百年的传统光源，一般仅2 000 h左右，该产品寿命超过50 000 h，是传统光源寿命的20倍以上。

4)安装维护方便，传统灯丝结构脆弱(不耐震动，易断裂)、光效低)，因而信号机构用信号灯维护量很大。频繁的维护需求和较大的维护难度给列车安全行驶带来了一定的隐患。该产品可以直接替换原来传统光源，它与白炽灯盘式LED光源的维护劳动力之比为1∶5∶7可大大降低工人劳动强度。

该产品已通过原铁道部产品质量监督检验中心通信信号站测试，并在成铁贵阳段上道试用。社会经济效益巨大，全国铁路系统按150万个信号灯计算，全面推广后，每年可节约维护费15亿元人民币，能大幅度降低铁路信号方面的风险，社会效益巨大。

1　白光LED铁路信号灯主要技术指标

直接替换传统25 W双灯丝白炽灯的白光LED铁路信号灯，首先要满足色灯信号机构色坐标、光强等光学要求，其次必需与现有铁路信号供电系统、检测报警系统兼容匹配。

1.1白光LED铁路信号灯性能(见表1)

表1　铁路信号灯性能参数表

LED铁路信号灯颜色应符合TB/T 2081—1989《铁路信号灯光颜色》的规定，白光LED灯装入色灯信号机构通电工作，白光通过滤色玻璃后的颜色符合规定要求，滤色玻璃的颜色有五种，分别是：红、绿、黄、蓝、月白。由于白炽灯光谱与普通LED光谱有显著差别，会导致普通LED白光经滤色后不能同时满足五种颜色的色坐标要求。因此是否能找到符合要求的白光LED 是解决问题的关键。

光强应符合TB/T2353—93《铁路信号灯光强度》的规定。由于LED光效远大于白炽灯，因此，光强问题较易解决。

双灯丝白炽灯有光通量要求，但LED光具有单向性，在色灯信号机中其光利用率更高，不考虑色坐标因素，LED灯的光通量要求会更低。

1.2LED铁路信号灯其它要求

1)定焦盘裙边的上平面与灯头内套应有不小于3 mm的间隙；

2)灯头与裙边的平行度和垂直度均不大于0.06 mm，其裙边应能承受35N以上压力而不变形；

3)灯头与灯体的固定应牢固，并能经受3N·m的扭力矩而不脱开；

4)灯具为双光源，主光源和副光源平行，主光源在下，副光源在上，其轴心线与灯头的中心线相垂直；

5)灯具接通115%额定电压10 s不损坏；

6)主光源损坏时，副光源应能可靠点亮；

7)灯具能承受下列机械振动：频率为35 Hz，加速度2.5 g的振动；

8)频率为5 Hz，加速度2 g的振动

9)灯具应具有电磁兼容性能，灯具与点灯单元及机构共同经电磁兼容试验，试验内容包括：射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、静电放电抗扰度、脉冲磁场抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌(冲击)抗扰度、电压暂将、短时中断和电压变化等；试验等级及试验应按GB/T 17626—2006的规定进行。

1.3LED铁路信号灯结构尺寸要求

在色灯信号机中，灯泡的安装位置、灯丝高度、主副灯丝间距都有严格的规定，从而保证色灯信号机光输出符合要求。在白光LED灯设计中应充分考虑这些因素，才能进行相应设计。结构尺寸要求符合TB/T 1917—2008《铁路信号灯泡技术条件》。

1.4LED铁路信号灯兼容性要求

现有信号机点灯电路中使用的灯丝监督继电器，工作在交流220V侧(一次侧)，其工作电流为100 mA，释放电流为40 mA，而工作在交流12V侧(二次侧)的双灯丝白炽灯对应功耗为25 W。

从当前LED光效推算，LED灯株功率为4 W就可以满足光强要求，因此，白光LED灯还需增加22 W功耗才能与原有系统兼容。

1.5LED铁路信号灯安全性要求

白炽灯故障模式只有开路(断丝)一种模式，当发生故障时，其功耗为0，可确保灯丝监督继电器可靠释放，从而切换副灯工作。这就是故障导向安全的体现。半导体发光元件LED故障模式有开路和短路两种模式，当其发生故障时，都没有光输出。LED故障的检测模式、发生故障后整灯功耗的处理都需要以故障导向安全的原则进行处理。

2　LED铁路信号灯的设计与实现

2.1总体方案

传统白炽灯用于信号灯时，其功率约25 W左右，具备主/副双灯丝，在主灯丝损坏后，点灯单元进行报警。老式点灯继电器方式是在一次侧或二次侧设置继电器来实现主副灯丝转换。这些继电器都是根据双灯丝白炽灯性能设计得到，其性能参数见表2。

表2　铁路信号灯用白炽灯性能参数表

表3　铁路信号灯用继电器性能参数表

根据以上分析，铁路信号灯可采用两颗白光LED，做为主副发光器件，根据发光强度要求，结合目前LED光效性能，设定主副LED灯株功率为7 W左右可以满足要求；为了适应继电器和点灯单元的电流检测模式和检测性能，为主灯设计分离式功率消耗模块，该模块功耗设为20 W，主灯总消耗功率可达25 W，可满足一次测(220V)和二次测(12V)的电流检测要求。

由于副灯部分不需要检测和报警，无需功率消耗模块。

2.2结构设计

本设计参考了传统白炽灯尺寸、点灯机构空间(特别是高柱型机构)、散热情况等，将光源、热源分离，以保证光源部分的寿命；此外，因应用上对光源的“假显示”性能有要求，因此，对产品的外观采用了黑色喷砂处理，增强了漫反射性能。产品效果如图2、图3所示。

图2　光源部分效果图Fig.2　Effect picture of light source

图3　热源部分效果图Fig.3　Effect picture of heat source

2.3白光LED灯珠的设计

基于大量测试及标准的要求，现有的通用LED灯珠首先在普通外形结构及bincode划分上很难直接用于产品设计，其问题主要是一方面为达到光强要求和良好导热的需求，至少需要尺寸5050级别封装的LED灯珠，而5050级别灯珠主/副灯间距至少5 mm，无法满足相关标准中对主/副灯的间距要求(3 mm)，因此设计一款二合一(主/副灯)灯珠或对现有5050 LED进行特殊定制生产，是两种可行的解决方案。两种方案在设计及实际使用中各有优缺点，现分析如下。

5050型LED是较为主流的LED封装形式，其封装可覆盖1 W～5 W的应用情况，封装尺寸及外形见图4。

图4　5050型LED尺寸外观示意图Fig.4　Size sketch appearance of 5050 LED

5050型LED封装、生产工艺成熟，在1～3 W内均能可靠散热。但用于本产品时，一方面即使两灯珠紧靠排列，其间距也达5 mm，无法满足TB/T 1917—2008中关于主/副灯具间距的要求，因此需要对5050型支架进行改良，并制定执行针对性的新型生产工艺，铁路信号灯专用支架产品与普通型产品对比示意图如图5所示：

图5　LED铁路信号灯专用支架与普通支架对比Fig.5　The drawing of special stent compared with ordinary stent for LED railway signal lamp

另一方面，根据大量测试，本产品应用中，LED需驱动至4 W方能满足光强需求，因此，在灯板的设计上采取了2个应对措施：第一，选择导热率3.0的铝型材基板；第二，铝板布板时采用大量覆铜，并将铜层裸露，覆盖高导热率导热垫片，以满足可靠地散热要求。铝基板覆铜如图6所示。

图6　铝基板覆铜示意图Fig.6　Schematic diagram of aluminum substrate with copper pour

但使用5050型LED需要特别注意，其受本身尺寸的限制，工作在4 W情况下，尽管在测试及模拟时能满足散热要求，但实际使用时，特别是夏季工作在野外的密闭机构中，LED的热沉积现象较严重，可能对LED的寿命及色漂移提出严重的考验；此外，两颗LED在焊接时需要紧密排布才能满足间距要求，批量化生产工艺有极大难度，需要特殊工艺保证措施。

二合一型集成封装灯珠，是近一两年为满足单颗LED的大功率化逐渐产生的一种封装形式。这种封装利用新型导热陶瓷的热传导原理，使用陶瓷作为LED支架，支架尺寸更大，内部有更多固晶空间，排布晶元、设计线路有更大更灵活空间，此外，在单一的LED支架内，主/副灯间距可轻易满足间距要求，对批量生产有较大优势。二合一型LED外形尺寸及主/副间距如图7所示。

图7　二合一型LED外形尺寸示意图Fig.7　Size sketch appearance of LED

而二合一集成封装灯珠在本案应用中也有其缺点，一方面，陶瓷支架需要单独开设模具，研发周期较长，更重要的是，主/副灯珠在一个支架中，共用荧光粉后，若工作温度极高，在主灯老化的同时，副灯也被动老化，存在一定的安全隐患。

综上，LED器件的选择上，两种方案各有利弊，综合考虑研发周期、成本以及可靠性上，本设计暂选5050型LED器件。

2.4电路设计

经过多次测试，证实采用专门研制的4 W的LED灯珠作为光源,出光总量可满足5种色玻璃在滤色后的光强要求。由此从光强需求、散热条件、器件可靠性等方面通盘考虑， LED铁路信号灯光源总体来说在电路设计包含保护电路、2组DC-DC电路、工作状态检测电路、功率负载四大功能块。其中，为满足传统电灯机构的工作需求，功率负载将由工作状态检测电路智能判断是否接入整个工作回路。整电路框图如图8所示。

图8　电路框图Fig.8　Circuit block diagram

工作原理：点灯电源通电后，主/副灯同时通电工作，此时，工作状态检测电路需检测主灯工作状态，若主灯亮，则功率负载接入电路，同时通过继电器断开副灯，此时，因主回路正常工作，且工作电流大于2A，点灯单元本身切断副灯回路供电；反之，无论是工作的开始阶段还是工作中，检测电路会持续的检测主灯的工作状态，若主灯熄灭，检测电路会通过继电器切断功率负载，并接通副灯回路，此时，主回路的电流极小，点灯单元会恢复副灯的供电，并报警。

由以上分析可知，电路设计的重点是如何设计可靠并较简洁的工作状态检测电路。

电路设计原理如图9所示，检测电路通过检测主回路工作情况，通过继电器控制功率负载和副灯供电的通断，可实现电路逻辑工作目标。

图9　电路原理框图Fig.9　Schematic circuit diagram

检测电路的设计，通常通过检测负载工作时的电压或电流来实现，但在本项目设计中，一方面，空间限制很大，较复杂的检测电路并不便于实现，另一方面，LED的开路损坏或短路损坏，也并不容易简单的通过一套电路来实现。因此，经多方研究，在本设计中创新性的引入了光学传感器检测系统。光学传感系统，仅检测主灯发光情况，无论主灯开路或短路，都被光学传感系统简化为“灭灯”这一种状态，极大的简化了电路的设计；并且最大程度的减少了由于电子元件或工作状态差异引起的误报、漏报，实现了可靠的工作。

此外，电路本身通过精确的主/副灯“延时”工作系统，无需其它保护系统、EMI设备，并可抛开点灯单元，独立实现TB/T 3073—2003中要求的快速脉冲群测试(GB/T 17626.4—2006)、浪涌冲击(GB/T 17626.5—2006)、射频电磁场辐射抗扰度(GB/T 17626.3—2006)等一系列严苛的电磁兼容测试。

2.5热设计

根据电路设计LED铁路信号灯光源因发光LED灯株为4 W左右，算上电路其它损耗，总功率仅7 W，为能配合点灯单元，故另需功率负载进行匹配，而功率负载消耗功率为20 W。因此考虑到此部分功率全部转换为热能，耗能电路温度较高，因此将光源部分和功率电阻部分分为独立的两部分，以达到热分离的目的如图10所示。

图10　热分离结构图Fig.10　Thermal separation structure

3　LED铁路信号灯功能、性能指标测试与分析

经过实际样机制作调试，样机的各项指标测试情况如下。

3.1电性能情况

产品电性能情况如表4所示。

表4　产品电性能达标分析表

3.2光学性能情况

光强测试是在光学暗室中进行，采用分布式光度计测试。同时也对卤素灯泡LTX12-25在信号机中的光强性能进行了测试。表5中罗列了光强、有效光通量和发光角度的对比数据。数据显示：XHD-LED铁路信号灯优于LTX12-25铁路信号灯泡。

色坐标测试采用1 m积分球测试。同时也对卤素灯泡LTX12-25在信号机中的色坐标进行了测试。表6中罗列标准对色坐标的要求(坐标系中一个封闭的区域)，并罗列3组LED信号灯测试坐标数据，其中一组的坐标在舌形域内的位置如图11所示。

表5　光强、光通量、角度对比

表6　坐标测试数据

图11　坐标位置图Fig.11　Location plan of coordinates

3.3电磁兼容试验

产品在北京铁科院成功完成了电磁兼容试验，试验情况见表7。

4　结论

经过充分调研，精心设计制作，LED铁路信号灯样机测试都满足铁路信号灯的要求，值得大力推广使用。

表7　EMS试验测试情况

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Research and Development of LED Railway Signal Lamp

LIU Dinglin, HAN Yongzhong, SHI Yang

(Sichuan Jiuzhou Optoelectronic Technology Co.,Ltd., Mianyang621000, China)

This paper Introduced a white-light LED light source, it can be installed in any color light type railway signal use, compatible with existing railway signal power supply, monitoring, alarm systems, different colors of the led light source through the glass, luminous intensity and chromaticity coordinates meet the standard requirements. Traditional rail color lamp signals in double-filament incandescent lamp as light source, its biggest shortcoming is the dual-filament incandescent lamp life and low; the filament current, effects on the supply of life system maintenance. According to China’s traditional railway system color light signal about 20.3 million units, study on white light LED railway signals have great economic and social significance.

LED signal light; package; lifetime; optics sensor

TN2

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.020