关于LED在铁路色灯信号机上应用的探讨

铁路通信与信号

课题名称：关于 课 程 作 业 LED在铁路色灯信号机上应用的探讨

2011年3月28日

组员名单

目 录

一 传统信号机概况 .................................................................................. 1

1．透镜式色灯信号机 ............................................................................................................. 1

1.1透镜式色灯信号机简介 ............................................................................................. 1

1.2 透镜式色灯信号机的优点 ........................................................................................ 1

2．组合式色灯信号机 ............................................................................................................. 2

.2.1组合式色灯信号机简介 ............................................................................................ 2

2.2 组合式色灯信号机的优点 ........................................................................................ 2

3．传统色灯信号机的缺点 ..................................................................................................... 2

二 LED概况 ............................................................................................... 3

1．LED灯的结构特点 .............................................................................................................. 3

2．LED发光盘的特点 .............................................................................................................. 3

3．LED发光盘的优点 .............................................................................................................. 4

4．LED的缺点 .......................................................................................................................... 4

三 LED信号机在铁路上的使用 ............................................................... 5

1．国外铁路LED信号机 ......................................................................................................... 5

1.1 发展状况及其技术特点 ............................................................................................ 5

1.2 应用状况 .................................................................................................................... 7

2.我国LED信号机发展状况 ................................................................................................... 7

四 ＬＥＤ信号机在铁路上应用的主要问题 .......................................... 8

五 推广LED铁路信号机的几点建议 ...................................................... 8

六 结束语 .................................................................................................. 9

关于LED在铁路色灯信号机上应用的探讨

铁路事业的高速发展对铁路信号灯及铁路行车安全提出更高的要求。铁路信号灯以往使用单一的白炽灯，使用寿命短、更换频繁高、劳动强度大，无论是行车还是维修人员的安全都存在很多的危险，需要通过改进设备来满足更高的要求。而LED目前已广泛使用于公路交通信号灯，本文将对其在铁路信号机上的应用进行探讨。

一 传统信号机概况

1．透镜式色灯信号机

1.1透镜式色灯信号机简介

透镜式色灯信号机（multiple clour-light signal） 是以凸透镜为集光器的色灯信号机。机构的每一个灯位固定显示一

个颜色的灯光，多种颜色的信号显示由多个灯位

完成，所以又称为多灯型信号机。

透镜式色灯信号机的机构有高柱二灯位、三

灯位、引导机构；矮型二灯位、三灯位机构；遮

断信号、复示信号和各种表示器机构等。通过这

些机构的组合和不同颜色灯光的排列，可以组成

各种用途的信号机。

1.2 透镜式色灯信号机的优点

1）透镜式色灯信号机的透镜组由无色的外透镜和有色的内透镜组成，增加了信号机的显示距离。

2）信号灯泡的灯座使用可调焦灯座，在灯光焦距恰当时，光源可得到充分利用，以增加信号显示距离。

3）透镜式色灯信号机结构简单，运用安全，维修方便，使用电缆芯线少，已在全国各条铁路线上得到广泛应用。

2．组合式色灯信号机

.2.1组合式色灯信号机简介

组合式信号机是为了克服透镜式信号机的缺点而研制的新型信号机。组合式色灯信号机每个机构只有一个灯室，根据显示要求可以组装成单显示、二显示及三显示机构，故称为组合式。

2.2 组合式色灯信号机的优点

1）整机外型美观，重量轻，组合方式灵活，安装简单方便，减少施工，维护等户外作业的劳动强度。

2）箱盖采用双螺旋压紧，密封材料采用高性能橡胶垫，管接头采用快速装卸结构形式，金属软管包塑料膜，保证了机构防尘密封性能的良好。

3）机构铝合金材料全部经亚光喷塑处理，可减少现场维护维修的工作量。

4）光学系统透镜间距离可调，容易使光学系统达到最佳状态。

5）适用于瞭望困难的线路，能在曲线半径300~20000m的各种曲线上得到连续信号显示。

6）显示距离远，直线可达1500m以上，弯道可达1000m以上。

3．传统色灯信号机的缺点

传统的色灯信号机是以白炽灯泡为光源。这种信号机的缺点是

1）可靠性差、寿命短、易断丝、工效低；

2）需要10倍于额定电流的冲击电流；

3）滤色镜使光强受到衰减，导致光色不纯；

4）灯光发光效率低；

5）灯泡寿命不足1000h，适应速度更需要100000us；

6）耐震动性差，易折断；

7）维修工作量大。

二 LED概况

1．LED灯的结构特点

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

2．LED发光盘的特点

1) 兼容性

考虑到与铁路标准信号机兼容，LED发光盘的尺寸可以与多种信号机构相配，如高柱发光盘可以用于高柱透镜式色灯信号机，矮型发光盘可以用于矮性色灯信号机机构等。

2) 颜色鉴别槽

为防止差错，不同颜色的LED发光盘的安装卡圈上的颜色鉴别槽不同。

3) 偏散镜

为满足曲线上显示的需要，可以加装不同角度的偏散镜。

4) 灯丝继电器

用发光盘取代信号灯泡，由于工作电流大幅度的降低，可以保障继电器的安全性和使用的长久性。

5) 专用的电灯装置

发光盘的专用电灯装置提供了发光盘所需用的电源。但发光盘内的LED的发光二极管的巡海超过30%会给出警告信号，两路电源有一路出现故障时也会给出警告信号。

3．LED发光盘的优点

铁路LED发光盘是采用LED发光二极管制成的铁路信号灯的新光源，可以取代传统的双线信号灯泡和透镜组，从而彻底消除灯丝断丝这一多发性的信号故障，实践证明，铁路LED信号灯有以下的优点：

1) 可靠性高

发光盘是用上百只发光二极管和数十条之路并联工作的，在使用中及时个别发光二极管或支路发生故障也不回影响信号的正常显示，提高了信号的可靠性。

2) 寿命长

传统的灯丝灯泡的主丝寿命为1000h，副丝为2000h，而发光二极管的寿命为100000h，是灯泡的100倍，改用发光盘后可以免除经常更换灯泡的麻烦，并有利于维修。

3) 节省能源

传统信号灯耗电为25w，而发光盘的耗电量还不足信号灯泡的一半。

4) 聚焦稳定

发光盘的聚焦状态在产品设计中已经调好，现场不需要调正，给安装和使用带来方便，并能始终保持良好的聚焦状态。

5) 光度性好

发光盘除有轴向主光束外，还有多条副光束，有利于加强主光束散角之外的近光显示效果。

6) 无冲击电流

点灯时没有类似信号灯泡冷丝状态的冲击电流，有利于延长供电装置的使用寿命，并减少对环境的污染。

4．LED的缺点

1) 色彩还原能力差

过去的LED平均显色指数（CRI）较低，因此在LED照射下显示的顏色没有白炽灯真实，容易造成视觉的误差和判断失误，这要从光谱分佈上来分析，属于技术问题。但进来萤光粉、LED使用材料技术提昇，CRI已经有厂商逐渐拉高到90的水准。

2) 单个LED功率低

由于单个LED功率低，LED光源亮度值不是很高，为了提高亮度就需要多个LED并联使用，例如汽车尾灯。虽然单个LED并不是很贵，但是数量多了成

本就会很高。目前单个高亮度大功率LED价格很昂贵并且一只高亮度LED也就5000左右的烛光亮度。

3) 光照距离短

虽然多LED的方法能提高光源亮度，但是并不能增加光照距离。因为LED发出的光线发散，即使聚光调节良好，其照明距离在过去的技术水准下也仅仅能只有几十米，LED光源适合用于近距离的照明，并不适合远距离的探照性活动。不过，随着技术力的提昇，LED的光照距离也能够拉长，短期内来看，LED较大的问题还是产品平均单价要降低。

4) 易出现「黄圈」问题

由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成「黄圈」问题。主要表现在光斑周围出现「黄圈」，不易消除。白光LED顏色偏差还有色斑、顏色偏蓝或偏红等现象。近来，业界使用混合萤光粉，能获得理想的白光LED，并高显色指数。

比如说采用蓝色LED激发YAG萤光粉与绿色（或红色）萤光粉的混合物得到白光。如果蓝色LED+YAG萤光粉获得的白光LED偏红或有黄圈，可以加入波长为500nm～530nm以稀土元素作成的绿色萤光粉，便可补偿多餘的黄光，使LED顏色向绿光区域靠近，从而达到消除黄圈的目的。假设，蓝色LED+YAG萤光粉产生的LED顏色偏蓝，便加入不含硫化物的红色萤光粉调整。这些方法可以调整LED的色座标和色温，并不会影响到LED的寿命。

5) 散热问题

LED产品另一项问题就是散热，如果不能够有效散热，产品的使用寿命就会缩短。业界正努力开发更多有效的高散热系数材质来应用在LED领域。

三 LED信号机在铁路上的使用

1．国外铁路LED信号机

1.1 发展状况及其技术特点

美国GELcore公司是GE照明与EMCORE公司的合资公司，创建于1999年1月，是全球著名的LED产品供货商。GELcore公司生产RM4 25、RM4 75、RM4 85三种类型的铁路LED发光盘，其中RM4 85型采用窄光束，其光强和散角指标与我国铁路TB／T2353基本接近。盘面和现有的灯丝信号系统完全兼容。单个LED故障，其光损失小于1％。RM4型LED发光盘的供电电压有10 V(AC／DC)和120

V(AC)两种类型，电压范围较宽，设关闭电压，抗浪涌能力强，功率因数90％，总谐波小于20％，工作温度40～74~C，抗振能力符合1999 AREMA和MIL—STD-833 Method 2007标准，抗电干扰能力符合AREMA Section l1．5．1和FCC Title 47 Section 1 5 Class A标准，抗潮湿能力符合IP65标准。

瑞士A C O L 公司是专业生产LED大功率灯具的厂家，长期致力于LED研发和生产，产品品质优良，价格优惠。该公司专为高速铁路研制了窄光束LED发光模块。

英国Variable Message Signs Limited公司生产的VMSL型铁路LED信号机，符合英国铁路路网公司的RT／E／S／10062标准，发光盘采用RIGEL公司的LED技术，光利用率高达90％，独特的盖板和透镜设计，无需遮掩也不会产生灯光幻影。3。散角窄光束设计，确保显示距离大于800 m，并且可内部调节成宽角度，以适合短距离显示的需要。宽电压范围输入(AC 78～131 V )，亮度不变，灭灯后在20 ms内即可迅速关闭。采用机械和电子鉴别装置，有效防止发光盘的错误安装。轴向光强为：红灯850 cd，黄灯2 600 cd，绿灯850 cd。非亮灯状态的平均故障间隔时间(MTBF)大于l 5年。当一条或多条支路故障时，产生非紧急报警。当发光盘电流大于75 mA时产生紧急报警。其维护方法简便，每年只需清洁透镜。

英国Roxboro集团下属的Diallight公司曾专为我国设计892系列LED铁路发光盘，其光强和散角符合我国铁路标准，可提供红、绿、黄、蓝、白5种颜色，供电电压AC 12 V，具有功率因素校正、有效减低谐波干扰等功能。发光为集束面式结构，光线聚焦利用现有信号机透镜，灯丝检测采用L．O．D兼容方式(虚拟继电器)。由于各种原因，此产品并未在我国得到使用。

英国西屋铁路系统公司(Westinghouse Rall Systems Limited)生产的Westled 3000系列LEDge-灯有200 inln、125 inln两种直径，输入电压AC 78～131V，显示距离大于800 m，与现有的双灯丝灯泡兼容，采用双电源供电，全盘88个LED分成两组，由两个独立电源供电。当LED发生50％故障时，可产生输出报警信号，也可向联锁电路输出故障信号。灯盘安装有测试按钮，可对每个LED供电电路进行检测，通过电阻调节，确保回路电流和灯泡相同。当电流小于50 mA时，输出报警信号。每年只需维修检查一次。

德国西门子公司生产的LED信号机主要与城市轻轨系统配套。其中LED 70型在隧道内使用，整个发光盘采用3 0个L E D，与具有透镜的Classic St 70型光学机构配合组成信号机。LED l36型则适合在隧道外使用，适用速度可达l20 km／h或l60km／h，发光盘由60个LED组成。LED发光盘设计与双丝灯泡兼容，并设有白天／夜间开关，可根据时间和天气变化调节发光亮度。控制电

路具有闪烁工作模式，可产生闪光信号，满足城市轻轨对信号的控制要求。

英国Signal H0use公司开发的铁路干线LED信号机，采用亮度反馈控制技术，满足英国铁路信号机的亮度标准，其信号色坐标可在整个温度范围内达p际准要求。它设有检测电路，当显示偏离标准时，电路自动关闭。电路关闭后，具有很小的空载电流。发光盘可设计成适合任何交流电压，其装置元件少，可靠性高，具有恒功率控制功能和寿命告警功能，适合在标准基座上安装。

1.2 应用状况

加拿大运输部运输发展中心专门就平交道口LED信号显示技术立项进行深入研究，并制定了技术标准，美国、英国也制定了相应的LED道口信号技术标准。2004年l’GELcore公司为美国铁路客运公司 Amtrak)在东北走廊的宾夕法尼亚’纽约、德拉瓦、马里兰等地安装了像3和RM4型LED信号机。同年，英国Tube Lines铁路客运公司向西屋公司订购了数十套125 mm规格的EE1)信号机，安装在伦敦地铁Jubileej~4N：线上，替代灯丝信号机。

目前，已有数以万计的LED信号机在美国、英国、法国、德国、澳大利亚等国投入使用。

2.我国LED信号机发展状况

我国铁路有约20万台高柱或矮型色灯信号机，这些信号机是以双灯丝白炽灯泡为光源，灯泡的寿命只有1000小时。由于LED具有众所周知的耗电少、寿命长、安全可靠的优点，一些单位98年开始进行这种新型光源在铁路信号领域的试验与研制，取得明显进展。

总的形势是发展速度快。三年前发光强度只能做到几百cd，两年前红、绿颜色能达到2000cd以上，黄色、月白色的光强度及颜色还不能达到铁标要求，近一年来发光强度明显提高，红光、绿光已能做到5000cd以上，达到国外西门子产品的光强度水平，五种颜色经过改进也能满足现有铁道行业标准规定的颜色范围。目前至少已有八家生产或研制LED色灯信号机构，有多家进行了产品的检测，有的经过铁道部技术审查。有约一千多台LED色灯信号机在秦沈客运专线、北京局、青藏线等铁路现场投入使用，受到用户的欢迎。

铁道部科技司于2003年组织有关单位制定了《LED铁路信号机构技术条件（暂行）》，统一了技术要求，为进一步推广打下了基础。铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站做了大量产品检验工作。

不仅地面信号机，而且手信号灯、客车床头阅读灯、安全标志灯等铁路信

号及照明产品上也开使用LED，LED手信号灯已在铁路现场大量应用，使产品性能明显提高，铁科院通号所于2010年完成适用于LED手信号灯和床头阅读灯的铁道部行业标准制定工作。

四 ＬＥＤ信号机在铁路上应用的主要问题

早期LED信号机的主要问题反映在LED的光学参数上，英国专家H．Barton在第六届“铁路线路、信号及构筑物维护与更新”国际会议上指出，黄色LED的色坐标随温度变化较大，可能超出铁路标准规定范围。LED的发光原理和灯泡不同，对LED显示效果的评估不能沿用原有的方法。随着LED的技术发展，LED光学问题已基本得到解决。目前，LED在铁路应用中主要存在以下问题。

(1)功率匹配。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25W灯泡时，大约需要4～8W。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，可能要人为增大LED 发光盘的功耗。这不仅丧失了LED节能的优点，也增加了发光盘的发热，缩短了发光盘的使用寿命。

(2)灯丝检查。铁路信号机应具备的基本功能是在灯点亮时进行热丝检查，用于确认信号已正确显示示。在灯熄灭时进行冷丝检查，用于检查灯丝是否完整， 预防信号不能开放。考虑到设备兼容，同样需要对LED信号机的灯丝检查功能。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进行。由于脉冲检查电流小，不会点亮灯泡信号机。而在LED信号机中，脉冲检查可使LED产生可见光。灭灯状态下产生可见光，在铁路信号中是绝不允许的。

(3)灯丝安全。灯泡由灯丝发热而亮灯，具有明显的两值特性，灯丝正常状态亮灯，断丝而灭灯。而LED发光盘本身不具有明显的两值特性，当LED部分短路时，其电流增加而亮度减小。而且LED还容易受干扰或感应而亮灯，存在安全问题。

五 推广LED铁路信号机的几点建议

虽然LED信号灯具有上述优点，但是在铁路上推广的速度还是较慢，在此提出影响LED信号机推广的原因和建议：

1．铁路运输生产以安全为前提，特别是指挥列车运行的色灯信号机必须十分安全可靠，每个部件包括信号灯泡、透镜、继电器等均按铁道部行业标准生产，不能随意改变。比如现有信号机点灯电路中使用JZXC-H18型灯丝监督继电器，其工作电流为100mA，释放电流为40mA，用LED替代灯泡后电流减少，继电器无法吸起，须要对继电器进行改造。这些变化须经过大量试验验证后才能投入使用。

2．LED是新光源，性能受环境条件、生产工艺、材料质量和电路设计影响较大，各厂家生产的LED信号机均不相同，LED的选择、电路、电源各不相同，难于互换，出现故障时不易在现场排除。长期使用后颜色漂移也会漂移，应不断积累LED信号机长期使用中出现的问题并加以解决。

3．LED寿命是10万小时，用户更关心的是整个系统的使用寿命，相关的元件也应做到长寿命、少维护。

4．目前铁路LED信号机的价格偏高，一台高柱三显示LED信号机价格为一万多元，有的是一万七千元，而现有信号机只有三千元左右，相差悬殊，用户很难接受。随着技术的飞速发展，有理由相信LED的质量和性能会不断提高，价格会很快下降。

六 结束语

铁路信号采用LED技术，具有节能、可视性好、免调整、免维护、长寿命等优点，发展前景良好。LED具有和白炽灯泡完全不同的特性，但LED直接替换灯泡需要研究新的电路和控制方式，才能充分发挥其优势。LED作为新型光源，只要设计合理、使用适当，同样具有可靠的故障安全特性。