通用型LED信號(hào)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究

李林

【摘 要】隨著鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路信號(hào)設(shè)備滯后的問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn)。尤其是現(xiàn)有的采用雙絲白熾燈作為發(fā)光光源的鐵路信號(hào)燈存在耗能、亮度低、易發(fā)熱、易損壞、壽命短的技術(shù)問(wèn)題，已經(jīng)不能滿(mǎn)足目前高速發(fā)展的鐵路需求。鐵路運(yùn)輸部門(mén)迫切需要一種亮度更高、壽命更長(zhǎng)和安全可靠性更高的鐵路信號(hào)燈。LED是一種新型固態(tài)冷光源，以其光效高、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、環(huán)保和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。尤其是光效高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保使其成為人類(lèi)照明歷史上的第四代綠色照明光源。在目前鐵路事業(yè)快速發(fā)展的時(shí)代，把它作為鐵路信號(hào)燈的發(fā)光光源具有重要的研究意義。

【關(guān)鍵詞】LED；信號(hào)；應(yīng)用

1引言

現(xiàn)階段，隨著鐵路行車(chē)向高速度、高密度和重載發(fā)展，鐵路信號(hào)設(shè)備的地位和作用日見(jiàn)突出，要實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸現(xiàn)代化及行車(chē)指揮現(xiàn)代化，首要的任務(wù)就是必須優(yōu)先實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)設(shè)備的現(xiàn)代化。而鐵路信號(hào)燈是鐵路信號(hào)設(shè)備中重要的組成部分，所以它的發(fā)展對(duì)鐵路事業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的?，F(xiàn)有的鐵路信號(hào)燈已無(wú)法滿(mǎn)足鐵路高速發(fā)展的需求，鐵路運(yùn)輸部門(mén)迫切需要一種亮度更高、壽命更長(zhǎng)和安全可靠性更高的鐵路信號(hào)燈。

2 LED基本原理

2.1 LED發(fā)光機(jī)理和結(jié)構(gòu)

LED芯片通常用III-IV族化合物半導(dǎo)體，如GaAs、GaP、GaAsP等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)外加一個(gè)正向偏置電壓時(shí)，即P端接電源正極，N端接負(fù)極，PN結(jié)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些注入的電子和空穴在PN結(jié)處相遇發(fā)生復(fù)合，將多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，這就是LED的發(fā)光機(jī)理。

2.2大功率LED特點(diǎn)

大功率LED是指額定功率在1W以上的發(fā)光二級(jí)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(dá)到1W、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。

（1）節(jié)能：LED能量利用率高，效率可達(dá)80-90%；

（3）綠色環(huán)保：大功率LED不含鉛、汞等污染元素，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染；

（3）壽命長(zhǎng)：使用壽命高達(dá)50，000小時(shí)以上；

（4）可靠：耐沖擊，抗震力強(qiáng)，光源穩(wěn)定性好；

（5）啟動(dòng)無(wú)延時(shí)：LED在納秒級(jí)，通電即達(dá)正常亮度，無(wú)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(dǎo)體PN結(jié)自身產(chǎn)生色彩，純正，濃厚；

（8）無(wú)頻閃：純直流工作，消除了傳統(tǒng)燈頻閃引起的視覺(jué)疲勞。

大功率LED的這些優(yōu)點(diǎn)，意味著它具有廣泛的應(yīng)用前景。但是它的發(fā)光機(jī)理決定了它用于照明的一些缺點(diǎn)。它不能直接應(yīng)用，需要根據(jù)照明設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用透鏡盡可能多的收集光能并重新配光。

3 LED鐵路信號(hào)燈光源的整體設(shè)計(jì)方案

一般來(lái)說(shuō)，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最主要的是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它主要解決光源光能量的收集問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)預(yù)先指定的光場(chǎng)分布。大功率LED鐵路信號(hào)燈光源是點(diǎn)光源照明，所以基于成像光學(xué)理論進(jìn)行照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵诔上窆鈱W(xué)中只有點(diǎn)才有嚴(yán)格的物象共扼關(guān)系。雖然照明系統(tǒng)關(guān)注的目標(biāo)和成像系統(tǒng)有很大的不同，但有一些照明光學(xué)系統(tǒng)卻應(yīng)用了成像光學(xué)器件，如透鏡、球面反射鏡、二次曲面反射鏡等，而且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中直接應(yīng)用傳統(tǒng)成像光學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 LED鐵路信號(hào)燈光源照明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)LED鐵路信號(hào)燈光源中技術(shù)指標(biāo)的要求，先進(jìn)行光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為確保信號(hào)燈持續(xù)穩(wěn)定的工作，需要在傳統(tǒng)鐵路信號(hào)燈點(diǎn)光源位置上，設(shè)置主、副兩組光源來(lái)模擬傳統(tǒng)的雙絲白熾燈。當(dāng)主光源一旦發(fā)生故障可及時(shí)轉(zhuǎn)換到副光源繼續(xù)使用，以保證列車(chē)的安全運(yùn)行。因此本光源按主副光源結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使主副光源都能有良好的光效和散角。

傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)燈是采用菲涅爾透鏡結(jié)合雙絲白熾燈的放置方向來(lái)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(gè)點(diǎn)光源之間存在距離，便形成了兩個(gè)離軸的點(diǎn)光源，通過(guò)原有的菲涅爾組合透鏡后不能達(dá)到聚光的效果。由于產(chǎn)生的光斑不能完全重疊，便形成了重影現(xiàn)象。

為了解決重影現(xiàn)象，達(dá)到理想的亮度均勻性和高光效，經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)后，作者考慮在LED陣列光源上應(yīng)用復(fù)眼透鏡照明系統(tǒng)。以此來(lái)解決兩個(gè)LED燈造成的重影現(xiàn)象和提高光的均勻性。為了減少成本，本文設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用原有的菲涅爾透鏡做聚光透鏡，在LED陣列前加復(fù)眼透鏡和聚光杯來(lái)達(dá)到鐵路信號(hào)燈光源的光學(xué)技術(shù)指標(biāo)。

3.2復(fù)眼透鏡照明系統(tǒng)

復(fù)眼透鏡又稱(chēng)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(fù)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(fù)眼透鏡的全直徑基本相等，且復(fù)眼透鏡的小透鏡的口徑非常的小。所以LED出射的光線相對(duì)于復(fù)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(fù)眼透鏡上，復(fù)眼透鏡上的每個(gè)小透鏡將入射的平行光束會(huì)聚于復(fù)眼透鏡之后。即兩個(gè)光源被形成多個(gè)光源像，再經(jīng)菲涅爾組合透鏡使每一個(gè)光源像成像于無(wú)限遠(yuǎn)處，并形成重迭的照明。這樣經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)之后就可以很好的消除重影現(xiàn)象，提高光照度的均勻性。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用大功率LED作為發(fā)光光源，通過(guò)內(nèi)部的功能電路，完全模擬白熾燈光源的電氣、物理性能，來(lái)研制新的鐵路信號(hào)燈光源。在兩年時(shí)間中，研發(fā)人員克服了種種技術(shù)困難，此光源采用大功率LED作為發(fā)光光源，為了能更好的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的安全穩(wěn)定的工作，對(duì)大功率LED的光學(xué)系統(tǒng)、點(diǎn)燈電路及控制電路進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)。綜合采用了復(fù)眼照明系統(tǒng)、抗雷擊浪涌、EMI、功率因素矯正（PFC）、開(kāi)關(guān)電源、電流電壓檢測(cè)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路信號(hào)燈的長(zhǎng)壽命、高亮度、持續(xù)穩(wěn)定的工作。由于此光源采用點(diǎn)式發(fā)光光源設(shè)計(jì)的，所以體積小、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和更換白熾燈，且滿(mǎn)足與現(xiàn)有信號(hào)燈機(jī)構(gòu)的配套使用，不需要再添加任何設(shè)備，減少了更換成本和更換的工作量。并且能夠進(jìn)行電路自診斷和主副燈轉(zhuǎn)換，從而提高了LED信號(hào)燈的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）