九合一大功率LED铁路信号灯技术报告

1WLED在铁路信号灯上的技术与应用常州市良久机械制造有限公司电子部张福章（213177）一：白炽灯泡信号灯与LED信号灯技术和性能比较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、劳动强度大、无论是行车还是维修人员的安全存在很多的危险。

白炽灯的发光原理都是利用物体受热发光原理和热辐射原理而实现的。

普通白炽灯具有：简单、成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好（Ra=100）等等，但同时有很多缺点：使用寿命短（1000小时-3000小时）、发光效率低（仅有12%--18%可转化为光能，其余部分都以热能的形式散失）、色温低（2700-3100K），电源电压的波动使之使用寿命更短。

随着照明产品技术的提高，金属卤素灯（白光灯，简称卤素灯，又称钨卤灯泡、卤素石英灯泡，是白炽灯的一个变种）由高压水银灯发展而来，由高纯度石英管材制造而成，石英管材内充入了含有汞、氩、镓的碘化物、铁的碘化物以及一些稀有金属卤化物。

钨电极通过钼带密封后形成电路，并以金属灯头带引线作为末端。

卤素灯泡与白炽灯的最大差别在于：就是卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体（通常是碘或溴），其工作原理为：当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸汽被冷却到大约800度并和卤素原子结合在一起，形成卤化钨（碘化钨或溴化钨）。

卤化钨向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯丝上，由于卤化钨是一种很不稳定的化合物，其遇热后又会重新分解成卤素蒸汽和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分，通过再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长（几乎是白炽灯的四倍），同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。

但是，因铁路信号供电电源波动大（AC170V-AC250V），同样影响卤素灯使用寿命和发光效率。

半导体LED发光二极管照明技术，是近几年发展起来的新型绿色照明产业。

在20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃。

作为光源，LED 的优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。

LED不依靠灯丝发热来发光，能量转换效率非常高，它只需要白炽灯15%--20%的耗能，与节能式荧光灯相比也只需要30%-50%的耗能。

在使用寿命方面，LED采用固体封装，结构牢固，寿命可达数万小时，是荧光灯寿命的数10倍和白炽灯寿命的近百倍。

又由于制造荧光灯和白炽灯材料含汞的成份，在生产和使用中破裂而溢出汞从而造成对环境二次污染。

点灯控制单元设计技术参数：1：输入电源电压：AC130V—AC265V，50Hz；输入电流：AC30mA-75mA；2：输出电压、电流：DC14.5V，3.5A（适用卤素灯泡与白炽灯铁路信号灯、小功率LED信号灯）；3：可控截止电压：<AC130V；4：抗电磁（17KV-35KV）干扰和雷电干扰：符合GB/T17626.5—1999、TB/T3073、IEC61000-4-5 等标准，大于三级A级；5：工作环境温度：-40---+75度；6：工作环境湿度：<95%；7：整机耗散功率：<13W；8：发光面直径：130mm；9：信号灯灯光散角（垂直、水平）：3-7度；10：总有效光通量：>230lm/9颗1WLED、300lm/12颗；11：总有效光强20000小时衰减小于15%；12：可视距离：>1500m/高柱、>500m/矮型；发光强度远远地高于白炽灯和卤素灯信号灯，也是现有小功率LED信号灯2倍以上，经检测完全符合TB/T2353中规定的标准。

灯光颜色特别是LED信号灯的颜色在使用过程中，色衰率在20000小时<12%；光衰率在20000小时<12%。

二：电源及LED信号灯检测后的技术参数（见方框图）：三、技术背景在国内，目前铁路信号灯电源变换器仍然普遍采用20世纪60 年代的线性电源技术(使用工频变换器进行变压和抗干扰隔离)。

虽然这种技术具有较好的抗干扰性能。

但是，其缺点也非常明显，主要表现为：(1)该技术的典型的转换效率为40%左右，无功率因素矫正功能。

已满足不了当今世界范围内对节能和绿色用电的要求；(2)传统的铁路信号灯采用的是寿命为1000~3000小时，发光效率为15lm/W的白炽灯，其发光效率比较低，使用寿命短，容易造成意外事故；(3)该技术的首次建设投入和维护费用较高。

铁路信号灯电源电子变换器是基于解决上述问题而进行的。

基本研究设计思路为：采用转换效率很高的电源电子变换器将220V交流转换为信号灯电源电压(输出电压与现有铁路信号白炽灯兼容)。

再使用该电源系统为信号灯(现有铁路信号白炽灯和新型的LED系统)供电。

项目综合采用的技术有：抗雷击浪涌、功率因素矫正(PFC)、开关电源、功率LED驱动DC-DC、LED光学透镜、电流电压检测控制以及抗铁路电气化干扰等。

四、技术优势所涉及的技术优势很明显，主要体现为：(1)信号灯电源变换器转换效率可达到88%及以上，节能效果显著；(2)电源电子变换器系统的输出电源电压与现有的铁路信号白炽灯电压兼容，可在一定程度上实现新老技术平稳过渡；(3)系统的功率因素矫正器可以有效的提高交流电网输入的功率利用，将无功功率降低到最小。

同时，功率因素矫正器也可以有效阻止信号灯系统对交流电网造成的高频污染，以达到绿色用电的要求；(3)与传统的铁路信号白炽灯相比，LED信号灯具有寿命可达60000~100000小时，发光效率可达35lm/W的绝对优势；(4) 新技术投入使用和维护费用较低。

五、相关技术要求、指标及测试标准1.技术要求(1)开关电源电子变换器系统满足AC130-265V电源输入，稳定输出DC14.5V(误差小于1.5%)，其功率足够驱动现有的铁路白炽信号灯和新型LED铁路信号灯；(2)电源电子变换器和LED信号灯系统的工作环境温度按工业级85ºC设计(铁路部门提出70ºC环境要求)，正常使用温升不超过40ºC；(3) 电源电子变换器和LED照明灯系统具有抗铁路电气化干扰功能；(4)电源电子变换器采用三级抗浪涌设计，第一级能抵抗4/300uS波形10kV幅值冲击(通流容量设计为5kA)，第二级抗雷击浪涌通流容量设计为20kA(8/20uS波形)，第三级抗雷击浪涌通流容量设计为10kA(8/20uS波形)；(5)电源电子变换器和LED照明灯系统能耐受加速度幅值为10m/S2，频率为100Hz正弦波振动测试；(6)当输入电压低于AC125V+/-5V时，电源电子变换器具有关断功能；(7)机构的外客防护等级应该符合GB/T4208中的IP53级；(8)机构正常绝缘电阻不小于50 MΩ，经交变湿热后绝缘电阻不小于1.5MΩ；(9)绝缘耐压：能承受50Hz，1000V有效值，历时1min测试无击穿或闪络(重复电压为原试验电压的80%)。

2.技术内容综合采用抗雷击浪涌、功率因素矫正(PFC)、开关电源、功率LED驱动DC-DC、散热、LED光学透镜、电流电压检测控制以及抗铁路电气化干扰等。

技术综合性强，难度高。

所设计的开关电源变换器需满足GB/T17626.5-1999和TB/T3073-2003的相关规定。

3.相关测试标准(1)GB/T17626.5-1999 电磁兼容实验和测试技术浪涌(冲击)抗扰度试验(2)TB/T3073-2003 铁路信号电气设备电磁兼容性试验及限值(3)TB/T2353-93 铁路信号灯发光强度(4)GB2423.1-2001 电工电子产品环境试验第二部分：试验方法试验A：低温(5)GB2423.2-2001 电工电子产品环境试验第二部分：试验方法试验B：高温(6)GB/T2423.4-1993 电工电子产品基本环境试验规程第二部分：试验方法试验Fc和导则：振动(正弦)(7)GB/T2423.10-1995电工电子产品基本环境试验规程试验M：底气压实验方法(8)TB2081-89 铁路信号灯颜色(9)TB1448-82 通信信号产品的绝缘耐压(10)2002年11月20日铁道部运输局《LED铁路信号机构技术条件(暂行)》和「运基信号[2003]114号」文件。

六、目前研发及测试情况：铁路信号灯电源电子变换器部分，已完成测试工作，并对其性能参数进行了试验。

其基本情况如下：(1)电源电子变换器在AC130-265V输入，加载大功率LED铁路信号灯工作时，其输出电压为DC14.5V，误差<2.0%；测试方法为：交流220V送调压器，经调压器在AC130-265V之间反复变化后送电子变换器，用4位半数字电压表监视负载两端电压500小时观测DC输出电压变化；(2)电子变换器连续工作5000小时无故障，变换器温升<35o C；(3) 变换器在输入电压低于AC125V时能自动关断，误差为±5V；远超于现在使用的70V；(4) 经过振动台10min测试后系统工作正常；(5) 整个机构的绝缘等级，耐压等级、抗雷击浪涌和抗铁路电气化干扰经铁道部电务设备电磁兼容检测中心和铁道部产品质量检验检测中心检验站测试符合GB/TB相关标准。

七、部分技术对比八：白炽灯及大功率LED信号灯电源变换器方框图见下图：九：九合一1WLED铁路信号灯外形图：1W九合一LED铁路信号灯使用在铁路干线上的实景图：十：1W九合一LED信号灯检测数据：十一：1W九合一LED信号灯原理简介说明：1、具体内容和重点解决的关键技术问题；1）、LED信号灯特性：LED颜色在使用时，特别是在高温（60°以上）会出现色变和发光效率降低，最明显表现在黄颜色上，当工作温度在高温下时，黄色出现偏红和发光效率减低40%以上，所以在选用黄色LED时，要求选用高亮、波长漂移低的发光芯片。

另外，白光也会出现漂移和发光效率降低的问题，但相对于黄光要好的多，其它颜色变化不明显。

2）、电路设计：针对LED信号灯特定的工作过程，设计出简单可靠、效率高，成本低并且电磁辐射小、抗电磁、雷击干扰的特殊电路。

3）、控制模式与设计：采用了EMI、PFC和AC/DC、DC/DC新技术，引入智能控制方案，在国内处于领先地位。

4）、九合一1WLED驱动电路，采用单个LED恒流驱动形式。

2、产品技术特色：1、工作电压：要求宽电压范围能正常工作在AC130V-265V的交流电压下，大功率LED铁路信号灯正常稳定工作；本产品制造的电源电子变压器，能在AC130V-AC270V的交流电压下正常工作。

2、电源电子变压器保护功能：（1）、低电压工作及保护：要求当电源交流电压处于AC130V时能工作，低于AC125V时，电源自动停止工作，避免损坏。