课题双色LED灯仿真.docx

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课题双色LED灯仿真

双色LED灯仿真

LED色灯信号机构大小同透镜式色灯信号机，机构采用铝合金材料，信号点灯单元由LED发光二极管构成。

LED色灯信号机构及控制系统，在与现有点灯控制电路兼容、LED驱动电路与二极管供电方式的设计方面取得突破，从机械结构到电路的安全町靠以及现场安装、操作、更换等方面，经不断完善、改进，已形成系列产品。

LED铁路信号显示系统作为一种节能、免维护的新型光源系统被成功运用。

　　一、LED色灯信号机构的优点

　　LED色灯信号机构采用轻便、耐腐蚀的单灯铝合金机构，组合灵活、安装简单。

显示距离超过1．5km，且清晰可辨、安全可靠。

通过监测控制系统的电流，可监督信号显示系统的工作状态，预警异常情况，有助于准确判断故障点，便于及时处理故障。

用LED取代传统的双丝信号灯泡和透镜组，具有以下显著优点：

（1）可靠性高

　　发光盘是用上百只发光二极管和数十条支路并联工作的，在使用中即使个别发光二极管或支路发生故障也不会影响信号的正常显示，提高了信号显示的可靠性。

（2）寿命长

　　发光二极管的寿命是信号灯泡的100倍，改用发光盘后可免除经常更换灯泡的麻烦，且有利于实现免维修。

　　（3）节省能源

　　传统信号灯泡耗电为25w，而发光盘的耗电量还不到信号灯泡的二分之一。

　　（4）聚焦稳定

　　发光盘的聚焦状态在产品设计与生产中已经确定，现场不需凋整，给安装与使用带来方便，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，有利于增强主光束散角之外以及近光显示效果。

　　（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，并减少对环境的电磁污染。

　　二、组成和工作原理

　　现使用的LED色灯信号机构有XSLE型、XLL型、XSZ（G、A）型、XLG（A、Y）型和XSL型等。

　　XSLE型由发光盘、BXZ—40点灯单元和GTB隔离调压报警单元组成。

XLL型由发光盘和XLL型LED信号机点灯单元组成。

XSZ型的发光盘可与现有信号点灯变压器配合使用。

XLG型由发光盘和减流报警单元组成。

XSL型由PFL型LED发光盘和FDZ发光盘专用点灯装置组成。

各种型号的LED色灯信号机的部件是配套使用的。

　　现以XSL型LED色灯信号机为例进行介绍。

　　XSL型LED信号机由铝合金信号机构、PFL—I型铁路LED发光盘和FDZ型发光盘专用点灯装置组成。

　　1．铝合金信号机构

　　铝合金信号机构分为高柱机构和矮型机构。

（1）高柱机构

　　高柱信号机构由背板总成、箱体总成、遮檐和悬挂装置四部分组成。

　　背板总成带有背板，并用来安装箱体总成。

背板总成分为二灯位背板总成（设有两个灯位安装孔）和三灯位背板总成（设有三个灯位安装孔）两种。

两种背板总成的高度不同。

　　把每个灯位组装成一个整体称为高柱箱体总成。

箱体总成也分为二灯位箱体总成（XSLG2型）和三灯位箱体总成（XSLG3型）两种。

两种机构除背板总成不同外，其余均相同。

用两个箱体总成分别固定在二灯位背板总成上，即构成二灯位高柱信号机构。

用三个箱体总成分别固定在三灯位背板总成上，即构成三灯位高柱信号机构。

箱体总成的玻璃卡圈换上透镜组用双丝信号灯泡点灯，也能作为色灯信号机用。

　　遮槽用螺钉装在机构箱体上的玻璃卡圈上。

　　悬挂装置将背板总成固定在信号机水泥机柱上。

悬挂装置采用现有的上部托架、下部托架等设备，并经特殊的喷涂表面处理，以增强其抗锈蚀能力。

（2）矮型机构

　　矮型机构分为二灯位矮型机构（XSLA2型）和三灯位矮型机构（XSLA3型）两种，其安装方法与透镜式信号机构相同，即厂家已按二灯位（或三灯位）组装成一个整体。

LED色灯信号机机构的技术标准要求。

1. LED机构不能改变现有信号点灯电路和相关电路。

2. 机构发光二极管损坏数量达到30%时，不能影响信号显示的规定距离，并及时报警。

3. 遇强光、雷电、电磁干扰，不应导致信号错误显示和发光盘损坏，发光盘及点灯电路短路、点等装置损坏等造成信号机灭灯时，灯丝继电器应可靠落下。

4. 机构灯光之间不串光，机构门盖开启灵活。

5. 机构的正常绝缘电阻应不小于50mΩ。

6. 灯光颜色在寿命周期内符合TB/T2081《铁路灯光信号颜色》的规定。

7. 机构光轴方向的发光强度应满足下列要求：

1. 机构光轴方向的发光强度应不低于规定数据的90%

2. 机构水平方向光束散角应不小于2°12′，垂直方向光束散角应不小于1°10′。

3. 带有偏散功能的机构光强度不低于规定要求。

8. 高柱信号机构的发光面直径180mm，灯间距为300mm；矮型机构的发光面直径125mm，灯间距为215mm.

9. 高柱信号机构安装后，应能在左右各90°，前俯5°范围内任意调整；矮型机构的仰角应为3--5°.

铁路通信与信号课程作业

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

．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

照明与

EMCORE

公司的合资公司，创建于

1999

年

月，是全球著名的

LED

产品供货商。

GELcore

公司生产

RM4

、

RM4

、

RM4

三种类型的铁路

LED

发光盘，其中

RM4

型采用窄光束，其光强和散角指标与

我国铁路

／

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

％。

RM4

型

LED

发光盘的供电电压有

V（AC

／

DC）

和

120

铁路通信与信号课程作业

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

％，

总谐波小于

％，工作温度

～

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

．

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

／

10062

标准，发光盘采用

RIGEL

公司

的

LED

技术，光利用率高达

％，独特的盖板和透镜设计，无需遮掩也不会产

生灯光幻影。

。

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

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

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

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

．

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

～

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

个

LED

分成两组，由两个独立电源供电。

当

LED

发生

％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

／

或

l60km

／

，发光盘由

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

铁路通信与信号课程作业

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

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

’

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

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。

我国

LED

信号机发展状况

我国铁路有约

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

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

，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

铁路通信与信号课程作业

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

．

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

～

。

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：

铁路通信与信号课程作业

．

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。

．

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。

．

LED

寿命是

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。

．

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。

六

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