隋功浩 齊小民

隋功浩:西門子信號(hào)有限公司 工程師 710016 西安

齊小民:西門子信號(hào)有限公司 工程師 710016 西安

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

傳統(tǒng)的白熾燈光源由主、副燈絲組成。正常情況下是主燈絲點(diǎn)亮。一旦主燈絲故障，副燈絲點(diǎn)亮同時(shí)報(bào)警。LED信號(hào)機(jī)按光源類型可以分為點(diǎn)陣式和點(diǎn)光源型。點(diǎn)陣式LED信號(hào)燈光源如圖1所示，由多顆發(fā)光二極管組成陣列，當(dāng)損壞的二極管達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，信號(hào)機(jī)進(jìn)行報(bào)警。點(diǎn)光源型LED信號(hào)燈如圖2所示，由單顆或數(shù)顆功率不低于1 W的高亮度發(fā)光二極管組成。正常點(diǎn)亮?xí)r，中間的主LED亮。在主LED故障的情況下，由旁邊2顆LED并聯(lián)組成的副LED燈點(diǎn)亮，同時(shí)信號(hào)機(jī)向室內(nèi)進(jìn)行報(bào)警。

早期LED信號(hào)機(jī)的主要問題反映在LED的光學(xué)參數(shù)上，尤其是黃光的色坐標(biāo)和光強(qiáng)達(dá)不到鐵標(biāo)要求，所以之前的LED信號(hào)機(jī)研發(fā)以點(diǎn)陣式LED光源為主。但是點(diǎn)陣式LED因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)，還不同程度地存在某些不足。隨著LED的技術(shù)發(fā)展，LED光學(xué)問題已基本得到解決，這也為點(diǎn)光源LED的研發(fā)和推廣提供了必要的條件。

1 點(diǎn)陣式LED信號(hào)機(jī)應(yīng)用中的主要問題

1.監(jiān)督繼電器問題。由于LED個(gè)體損壞，使LED工作電流下降，當(dāng)LED損壞達(dá)到一定數(shù)量后，導(dǎo)致電流監(jiān)督繼電器不能可靠吸起。

2.燈絲安全。燈泡由燈絲發(fā)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(fā)光盤本身不具有明顯的兩值特性，且點(diǎn)陣式LED信號(hào)機(jī)使用LED數(shù)量較多，其個(gè)體損壞是必然的，個(gè)體LED損壞會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)有明顯的變化。

3.燈絲檢查。鐵路信號(hào)機(jī)應(yīng)具備的基本功能是在亮燈時(shí)進(jìn)行熱絲檢查，用于確認(rèn)信號(hào)已正確顯示;在滅燈時(shí)進(jìn)行冷絲檢查，用于檢查燈絲是否完整，預(yù)防信號(hào)不能開放。但對(duì)LED發(fā)光盤進(jìn)行燈絲檢查時(shí)，情況和燈泡不同，冷絲檢查一般可用脈沖電流，在點(diǎn)陣式LED信號(hào)機(jī)中，脈沖檢查可能使LED產(chǎn)生可見光，在滅燈狀態(tài)下產(chǎn)生可見光是鐵路信號(hào)絕不允許的。

4.接口兼容。由于LED的發(fā)光效率高，在同等光強(qiáng)下，LED發(fā)光盤需要的功率比白熾燈泡小。如用LED替換25 W燈泡時(shí)，大約只需要4～8 W。電壓和電流決定功率的大小，當(dāng)控制電路的輸出電壓一定時(shí)，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(shè)備直接接口，現(xiàn)有的大部分點(diǎn)陣式LED信號(hào)機(jī)使用專用的點(diǎn)燈單元和燈絲繼電器，與現(xiàn)有的接口不兼容。

點(diǎn)陣式LED信號(hào)機(jī)在使用生命周期中存在光強(qiáng)變動(dòng)大、誤動(dòng)多等不足。對(duì)于LED發(fā)光單元，能否實(shí)現(xiàn)類似白熾燈泡二值轉(zhuǎn)換功能，就是要么LED發(fā)光單元正常發(fā)光，要么就斷掉轉(zhuǎn)換為備用LED發(fā)光。為此研發(fā)了高可靠性、高安全性的點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)構(gòu)。

2 點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)工作原理

點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)不需改變?cè)惺覂?nèi)信號(hào)機(jī)控制電路和室內(nèi)到室外變壓器的電纜，直接與室內(nèi)控制電路連接，供電方式與透鏡式色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)相同。LED信號(hào)機(jī)具有防雷、EMI抑制、門限檢測(cè)、主副LED轉(zhuǎn)換和報(bào)警輸出功能，可以成功替換傳統(tǒng)雙燈絲燈泡。

點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)組成主要包括信號(hào)機(jī)構(gòu)、發(fā)光組件和控制組件3部分，其組成框圖如圖3所示。

圖3 點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)組成圖

1．信號(hào)機(jī)構(gòu)分為2部分:①燈室，為發(fā)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(nèi)梯透鏡和1塊外梯透鏡，與發(fā)光組件和控制組件配合組成信號(hào)單元。為了達(dá)到和傳統(tǒng)雙燈絲信號(hào)機(jī)的兼容性，這2部分均完全采用傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)構(gòu)的解決方案，使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)機(jī)構(gòu)。

2．LED信號(hào)機(jī)的發(fā)光組件采用全新LED高亮發(fā)光芯片，選擇紅、綠、黃、藍(lán)、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(diǎn)光源由少數(shù)幾個(gè)LED組成，分為主、副2部分。主芯片損壞即轉(zhuǎn)為副芯片點(diǎn)亮并報(bào)警，完全不會(huì)導(dǎo)致通路電流的減小及監(jiān)督繼電器不能正常吸起，具有原理上的優(yōu)勢(shì)。其發(fā)光強(qiáng)度、色坐標(biāo)、光束散角等光學(xué)性能也滿足鐵道部技術(shù)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(xiàn)有的接口，控制組件用配載電阻消耗電流。LED信號(hào)機(jī)供電可采用標(biāo)準(zhǔn)的鐵路信號(hào)變壓器BX-34+JZSJC或其他標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)燈單元，LED信號(hào)機(jī)原理框圖如圖4所示。在圖4中供電采用標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)燈單元;J1監(jiān)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(nèi)，監(jiān)督繼電器(JZX-H18)可靠吸起，吸起電流大于100 mA，LED光源光學(xué)參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4．控制單元由EMC模塊、電源模塊、控制模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊組成，其工作原理如圖5所示。

5．電源模塊采用開關(guān)電源的工作方式，將AC 12 V轉(zhuǎn)為DC輸出，提供給邏輯電路和LED光學(xué)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(dòng)切換到副電源，不影響控制組件正常工作。同時(shí)，通過邏輯控制模塊向室內(nèi)發(fā)出報(bào)警信息。

當(dāng)主LED出現(xiàn)故障(斷路或短路)，邏輯控制模塊接通副LED發(fā)光，并自動(dòng)輸出報(bào)警，不影響信號(hào)系統(tǒng)正常工作。

當(dāng)主、副LED均故障(滅燈情況下)，配載電阻斷開模塊自動(dòng)切斷配載電阻，監(jiān)督繼電器電流小于40 mA，輸出報(bào)警。

6．LED信號(hào)機(jī)的抗干擾門限電壓優(yōu)于鐵標(biāo)要求的120 V。主、副LED切換模塊預(yù)留切換接口，便于現(xiàn)場(chǎng)維修人員檢修。

3 點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)雙燈絲燈泡和透鏡組的透鏡式色燈信號(hào)機(jī)相比，點(diǎn)光源型LED信號(hào)機(jī)具有以下特點(diǎn)。

1.發(fā)光二極管采用高亮度器件，壽命周期中光強(qiáng)較穩(wěn)定。

2.色燈信號(hào)機(jī)發(fā)光面直徑根據(jù)信號(hào)燈的規(guī)格及安裝機(jī)構(gòu)的需要可選，與發(fā)光單元無關(guān)。

3.LED模擬點(diǎn)光源，滿足現(xiàn)有的透鏡機(jī)構(gòu)，適用性強(qiáng)。

4.與現(xiàn)有信號(hào)點(diǎn)燈電路兼容，不改變室內(nèi)控制電路，不增加室內(nèi)到色燈信號(hào)機(jī)的電纜。

5.較好的EMI抑制功能，輸入電壓門限優(yōu)于鐵標(biāo)要求的120 V。

6.主、副LED故障后線路電流小于40 mA(站內(nèi)信號(hào)燈)，監(jiān)督繼電器落下報(bào)警。

7.雙電源系統(tǒng)。主電源故障后自動(dòng)切換到副電源，并通過繼電器向室內(nèi)報(bào)警。

8.操作習(xí)慣與雙燈絲燈泡完全一致。

9.安裝與維護(hù)快捷安全。

4 結(jié)束語

點(diǎn)光源型鐵路LED信號(hào)燈具有節(jié)能、可視性好、免調(diào)整、免維護(hù)、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，而且和現(xiàn)行通用的車站6502型的點(diǎn)燈控制電路結(jié)構(gòu)接口完全兼容，可以安裝于既有的信號(hào)結(jié)構(gòu)，其操作習(xí)慣和白熾燈燈泡完全一致，亦可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)主、副絲檢查。其設(shè)計(jì)嚴(yán)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(chǎng)前景。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 3242－2010.LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)通用技術(shù)條件［S］.2010.

［2］成遠(yuǎn).國外鐵路LED信號(hào)機(jī)發(fā)展與應(yīng)用［J］.中國鐵路，2007(5).

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［4］楊先成.鐵路 LED信號(hào)機(jī)［J］．鐵道通信信號(hào)，2004(4).

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