一种点光源型LED铁路信号机技术

隋功浩 齐小民

隋功浩:西门子信号有限公司 工程师 710016 西安

齐小民:西门子信号有限公司 工程师 710016 西安

多年来，我国铁路一直采用传统的以白炽灯泡为光源的色灯信号机，其主要缺点是可靠性差、易断丝、功效低、寿命短(2000 h左右)。为了提高信号显示的可靠性和延长灯泡的使用寿命，提出了采用LED技术研制开发LED铁路信号机(以下简称LED信号机)。它具有无电流冲击、颜色纯正、效率高、寿命长(可达到10万h)、能源省、免维修的特点，可以有效解决灯丝断丝问题，其同类产品的应用前景广阔，潜力巨大。

传统的白炽灯光源由主、副灯丝组成。正常情况下是主灯丝点亮。一旦主灯丝故障，副灯丝点亮同时报警。LED信号机按光源类型可以分为点阵式和点光源型。点阵式LED信号灯光源如图1所示，由多颗发光二极管组成阵列，当损坏的二极管达到一定数量时，信号机进行报警。点光源型LED信号灯如图2所示，由单颗或数颗功率不低于1 W的高亮度发光二极管组成。正常点亮时，中间的主LED亮。在主LED故障的情况下，由旁边2颗LED并联组成的副LED灯点亮，同时信号机向室内进行报警。

早期LED信号机的主要问题反映在LED的光学参数上，尤其是黄光的色坐标和光强达不到铁标要求，所以之前的LED信号机研发以点阵式LED光源为主。但是点阵式LED因为其自身的特点，还不同程度地存在某些不足。随着LED的技术发展，LED光学问题已基本得到解决，这也为点光源LED的研发和推广提供了必要的条件。

1 点阵式LED信号机应用中的主要问题

1.监督继电器问题。由于LED个体损坏，使LED工作电流下降，当LED损坏达到一定数量后，导致电流监督继电器不能可靠吸起。

2.灯丝安全。灯泡由灯丝发热而亮灯，具有明显的两值特性，灯丝正常亮灯，断丝而灭灯。LED发光盘本身不具有明显的两值特性，且点阵式LED信号机使用LED数量较多，其个体损坏是必然的，个体LED损坏会导致光强有明显的变化。

3.灯丝检查。铁路信号机应具备的基本功能是在亮灯时进行热丝检查，用于确认信号已正确显示;在灭灯时进行冷丝检查，用于检查灯丝是否完整，预防信号不能开放。但对LED发光盘进行灯丝检查时，情况和灯泡不同，冷丝检查一般可用脉冲电流，在点阵式LED信号机中，脉冲检查可能使LED产生可见光，在灭灯状态下产生可见光是铁路信号绝不允许的。

4.接口兼容。由于LED的发光效率高，在同等光强下，LED发光盘需要的功率比白炽灯泡小。如用LED替换25 W灯泡时，大约只需要4～8 W。电压和电流决定功率的大小，当控制电路的输出电压一定时，由于灯丝继电器的工作需要，电流不能减小，因此，直接替换遇到了困难。为了与既有设备直接接口，现有的大部分点阵式LED信号机使用专用的点灯单元和灯丝继电器，与现有的接口不兼容。

点阵式LED信号机在使用生命周期中存在光强变动大、误动多等不足。对于LED发光单元，能否实现类似白炽灯泡二值转换功能，就是要么LED发光单元正常发光，要么就断掉转换为备用LED发光。为此研发了高可靠性、高安全性的点光源型LED信号机构。

2 点光源型LED信号机工作原理

点光源型LED信号机不需改变原有室内信号机控制电路和室内到室外变压器的电缆，直接与室内控制电路连接，供电方式与透镜式色灯信号机构相同。LED信号机具有防雷、EMI抑制、门限检测、主副LED转换和报警输出功能，可以成功替换传统双灯丝灯泡。

点光源型LED信号机组成主要包括信号机构、发光组件和控制组件3部分，其组成框图如图3所示。

图3 点光源型LED信号机组成图

1．信号机构分为2部分:①灯室，为发光单元提供了安装位置与空间;②透镜组，包括透镜架、1块内梯透镜和1块外梯透镜，与发光组件和控制组件配合组成信号单元。为了达到和传统双灯丝信号机的兼容性，这2部分均完全采用传统信号机构的解决方案，使用标准信号机构。

2．LED信号机的发光组件采用全新LED高亮发光芯片，选择红、绿、黄、蓝、月白5种颜色，故而与之配合的透镜组合只需保证无色透明即可。点光源由少数几个LED组成，分为主、副2部分。主芯片损坏即转为副芯片点亮并报警，完全不会导致通路电流的减小及监督继电器不能正常吸起，具有原理上的优势。其发光强度、色坐标、光束散角等光学性能也满足铁道部技术要求。

3．控制组件由控制单元、配载电阻和单元安装装置组成。为了兼容现有的接口，控制组件用配载电阻消耗电流。LED信号机供电可采用标准的铁路信号变压器BX-34+JZSJC或其他标准的点灯单元，LED信号机原理框图如图4所示。在图4中供电采用标准的点灯单元;J1监督继电器为JZXH18继电器。模块的正常工作电压为AC 12(1±10%)V，在正常工作电压范围内，监督继电器(JZX-H18)可靠吸起，吸起电流大于100 mA，LED光源光学参数达到标准要求。

4．控制单元由EMC模块、电源模块、控制模块和LED驱动模块组成，其工作原理如图5所示。

5．电源模块采用开关电源的工作方式，将AC 12 V转为DC输出，提供给逻辑电路和LED光学组件。电源模块采用了冗余电源，在主电源故障的情况下，可以自动切换到副电源，不影响控制组件正常工作。同时，通过逻辑控制模块向室内发出报警信息。

当主LED出现故障(断路或短路)，逻辑控制模块接通副LED发光，并自动输出报警，不影响信号系统正常工作。

当主、副LED均故障(灭灯情况下)，配载电阻断开模块自动切断配载电阻，监督继电器电流小于40 mA，输出报警。

6．LED信号机的抗干扰门限电压优于铁标要求的120 V。主、副LED切换模块预留切换接口，便于现场维修人员检修。

3 点光源型LED信号机的特点

与传统双灯丝灯泡和透镜组的透镜式色灯信号机相比，点光源型LED信号机具有以下特点。

1.发光二极管采用高亮度器件，寿命周期中光强较稳定。

2.色灯信号机发光面直径根据信号灯的规格及安装机构的需要可选，与发光单元无关。

3.LED模拟点光源，满足现有的透镜机构，适用性强。

4.与现有信号点灯电路兼容，不改变室内控制电路，不增加室内到色灯信号机的电缆。

5.较好的EMI抑制功能，输入电压门限优于铁标要求的120 V。

6.主、副LED故障后线路电流小于40 mA(站内信号灯)，监督继电器落下报警。

7.双电源系统。主电源故障后自动切换到副电源，并通过继电器向室内报警。

8.操作习惯与双灯丝灯泡完全一致。

9.安装与维护快捷安全。

4 结束语

点光源型铁路LED信号灯具有节能、可视性好、免调整、免维护、长寿命等优点，而且和现行通用的车站6502型的点灯控制电路结构接口完全兼容，可以安装于既有的信号结构，其操作习惯和白炽灯灯泡完全一致，亦可以进行现场主、副丝检查。其设计严格遵循了故障-安全原则，具有很高的安全性能，具有非常光明的市场前景。

［1］中华人民共和国铁道部.TB/T 3242－2010.LED铁路信号机构通用技术条件［S］.2010.

［2］成远.国外铁路LED信号机发展与应用［J］.中国铁路，2007(5).

［3］J．Liebscher，(Siemens AG，Germany)D．Zimmermann．Source．Photo metric design of colour light signals:Signal und Draht V 96，n 1 2，2004

［4］杨先成.铁路 LED信号机［J］．铁道通信信号，2004(4).

［5］唐德瑜.LED铁路色灯信号机［J］．成铁科技，2002(2).