通用型LED信号机构的应用研究
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【摘 要】随着铁路技术装备现代化建设的快速发展，铁路信号设备滞后的问题开始显现。尤其是现有的采用双丝白炽灯作为发光光源的铁路信号灯存在耗能、亮度低、易发热、易损坏、寿命短的技术问题，已经不能满足目前高速发展的铁路需求。铁路运输部门迫切需要一种亮度更高、寿命更长和安全可靠性更高的铁路信号灯。LED是一种新型固态冷光源，以其光效高、节能、寿命长、体积小、重量轻、环保和响应速度快等特点被广泛应用于各种场合。尤其是光效高、寿命长、节能环保使其成为人类照明历史上的第四代绿色照明光源。在目前铁路事业快速发展的时代，把它作为铁路信号灯的发光光源具有重要的研究意义。
【关键词】LED；信号；应用
1引言
现阶段，随着铁路行车向高速度、高密度和重载发展，铁路信号设备的地位和作用日见突出，要实现铁路运输现代化及行车指挥现代化，首要的任务就是必须优先实现铁路信号设备的现代化。而铁路信号灯是铁路信号设备中重要的组成部分，所以它的发展对铁路事业的发展是至关重要的。现有的铁路信号灯已无法满足铁路高速发展的需求，铁路运输部门迫切需要一种亮度更高、寿命更长和安全可靠性更高的铁路信号灯。
2 LED基本原理
2.1 LED发光机理和结构
LED芯片通常用III-IV族化合物半导体，如GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成的，其核心是PN结。当PN结外加一个正向偏置电压时，即P端接电源正极，N端接负极，PN结势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些注入的电子和空穴在PN结处相遇发生复合，将多余的能量以光的形式释放出来，这就是LED的发光机理。
2.2大功率LED特点
大功率LED是指额定功率在1W以上的发光二级管，普通LED功率一般为0.05 W、工作电流为20 mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。
（1）节能：LED能量利用率高，效率可达80-90%；
（3）绿色环保：大功率LED不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染；
（3）寿命长：使用寿命高达50，000小时以上；
（4）可靠：耐冲击，抗震力强，光源稳定性好；
（5）启动无延时：LED在纳秒级，通电即达正常亮度，无须等待；
（6）适用性好：体积小，重量轻，可以封装成各种形状；
（7）色彩纯厚：由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚；
（8）无频闪：纯直流工作，消除了传统灯频闪引起的视觉疲劳。
大功率LED的这些优点，意味着它具有广泛的应用前景。但是它的发光机理决定了它用于照明的一些缺点。它不能直接应用，需要根据照明设计指标进行二次光学系统设计，利用透镜尽可能多的收集光能并重新配光。
3 LED铁路信号灯光源的整体设计方案
一般来说，照明系统设计中最主要的是光学系统设计，它主要解决光源光能量的收集问题并实现预先指定的光场分布。大功率LED铁路信号灯光源是点光源照明，所以基于成像光学理论进行照明光学系统设计。这是因为在成像光學中只有点才有严格的物象共扼关系。虽然照明系统关注的目标和成像系统有很大的不同，但有一些照明光学系统却应用了成像光学器件，如透镜、球面反射镜、二次曲面反射镜等，而且在设计的过程中直接应用传统成像光学理论进行设计。
3.1 LED铁路信号灯光源照明系统的总体结构
根据LED铁路信号灯光源中技术指标的要求，先进行光源的光学结构的设计。为确保信号灯持续稳定的工作，需要在传统铁路信号灯点光源位置上，设置主、副两组光源来模拟传统的双丝白炽灯。当主光源一旦发生故障可及时转换到副光源继续使用，以保证列车的安全运行。因此本光源按主副光源结构进行设计，为了使主副光源都能有良好的光效和散角。
传统的铁路信号灯是采用菲涅尔透镜结合双丝白炽灯的放置方向来进行光学系统的设计，但是将白炽灯换成人功率LED光源后，就需要排放两组LED光源。由于两个点光源之间存在距离，便形成了两个离轴的点光源，通过原有的菲涅尔组合透镜后不能达到聚光的效果。由于产生的光斑不能完全重叠，便形成了重影现象。
为了解决重影现象，达到理想的亮度均匀性和高光效，经过查阅大量文献后，作者考虑在LED阵列光源上应用复眼透镜照明系统。以此来解决两个LED灯造成的重影现象和提高光的均匀性。为了减少成本，本文设计中继续采用原有的菲涅尔透镜做聚光透镜，在LED阵列前加复眼透镜和聚光杯来达到铁路信号灯光源的光学技术指标。
3.2复眼透镜照明系统
复眼透镜又称为积分透镜，不但可以提高光斑的均匀性，而月不降低出光效率。复眼透镜阵列的表面是由很多颗小透镜阵列而成的，其小透镜一般都是平凸透镜。
LED阵列光源的尺寸和复眼透镜的全直径基本相等，且复眼透镜的小透镜的口径非常的小。所以LED出射的光线相对于复眼透镜的小透镜可以近似看做平行光线。因此，光源出射一的平行光束投射于复眼透镜上，复眼透镜上的每个小透镜将入射的平行光束会聚于复眼透镜之后。即两个光源被形成多个光源像，再经菲涅尔组合透镜使每一个光源像成像于无限远处，并形成重迭的照明。这样经过设计之后就可以很好的消除重影现象，提高光照度的均匀性。
结束语
综上所述，采用大功率LED作为发光光源，通过内部的功能电路，完全模拟白炽灯光源的电气、物理性能，来研制新的铁路信号灯光源。在两年时间中，研发人员克服了种种技术困难，此光源采用大功率LED作为发光光源，为了能更好的代替传统的白炽灯，并实现信号灯的安全稳定的工作，对大功率LED的光学系统、点灯电路及控制电路进行了匹配设计。综合采用了复眼照明系统、抗雷击浪涌、EMI、功率因素矫正（PFC）、开关电源、电流电压检测控制等技术，实现了铁路信号灯的长寿命、高亮度、持续稳定的工作。由于此光源采用点式发光光源设计的，所以体积小、功耗小、结构简单，便于安装和更换白炽灯，且满足与现有信号灯机构的配套使用，不需要再添加任何设备，减少了更换成本和更换的工作量。并且能够进行电路自诊断和主副灯转换，从而提高了LED信号灯的安全性和可靠性。
参考文献：
[1]张海南，王正权.大功率LED铁路信号灯的研究[J].上海铁道科技，2008，（4）：4-6.
[2]公文礼.LED光源在矿用防爆灯具中的应用[J].灯与照明，2010，34（3）：36-40.
（作者单位：成都地铁运营有限公司）
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