LED铁路信号机点灯检测电路设计

LED铁路信号机点灯检测电路设计

高笠堯 张治国

（西安交通工程学院，陕西 西安 , 710300 ）

基金项目：2021大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：2021DC01）

摘要：LED灯泡较之传统白炽灯有寿命长、颜色纯正、无冲击电流、绿色环保等优点。信号机采用LED光源具有明显的优势。LED的发光原理与灯泡不同，LED信号机直接替换灯丝信号机时，需要设计专门的点灯电路、驱动电路，并能与现有设备兼容。但是采用LED光源时，不牵涉到主副灯丝转换的问题，无需使用灯丝转换继电器，需要为LED发光盘设计专有的点灯电路。LED 发光盘损坏时，并不像直丝灯泡断丝，而是部分LED失效，表现为总工作电流的减小。如何检测LED 的损坏个数也是一个技术难题。LED点灯检测电路检测LED损坏的个数。当LED损坏超过30%时，LED点灯检测电路通过告警电路输出告警信号。

关键词：LED信号机；LED发光盘；LED点灯检测电路

ABSTRACT:Compared with traditional incandescent lamps, LED bulbs have the advantages of long life, pure color, non-impulse current and green environmental protection. The use of LED light source has obvious advantages for signal machines. The principle of LED light is different from that of light bulb. When LED signal directly replaces filament signal, it needs to design special lighting circuit and driving circuit, and can be compatible with existing equipment. However, when the LED light source is used, it does not involve the conversion of the primary and secondary filaments, so there is no need to use the filament conversion relay. It is necessary to design a special lighting circuit for the LED optical disc. When the LED disc is damaged, it is not like the straight wire bulb to break the wire, but part of the LED failure, manifested as the reduction of the total working current. How to detect the number of damaged LED is also a technical challenge. LED lighting detection circuit to detect the number of LED damage. When LED damaged more than 30%, LED light detection circuit through the alarm circuit output alarm signal

Key words: LED signal; the LED disc; LED light detection circuit

信号机是铁路信号基础的重要设备。信号机在保障行车安全、提高运输效率和改善行车工作人员劳动强度等方面发挥着重要的作用。早期铁路信号机采用双丝直丝灯泡。但是钨丝灯泡因耗寿命短、维修频繁，导致存在着极大的安全隐患;同时色灯信号机所需要的颜色采用滤色透镜滤出所需要的色光，由于滤色透镜本身由颜色，在太阳光照射下，远方看去好像色灯信号机在发光，容易造成误显示。滤色透镜由于受到风吹日晒老化，导致滤色的功能下降，滤色的范围发生了变化，导致显示不准确。所以色灯信号机逐渐不能适应铁路信号显示的要求。LED灯泡较之传统白炽灯有寿命长、颜色纯正、无冲击电流、绿色环保等优点。LED铁路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,信号点灯单元由发光二极管LED构成。信号机采用LED光源具有明显的优势。
一、LED铁路色灯信号机构的优点

LED铁路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15km且清晰可辨,使用寿命可达10⁵h,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。LED铁路信号机构重量大大减少,便于施工安装，密封条件好,使用寿命长。用LED取代传统的双丝信号灯泡和透镜组,从而彻底消除灯泡断丝这一多发性的信号故障,可以做到免维护,结束了普通信号机定期更换信号灯泡的维修方式,减少维修工作量,节省维修费用。
用发光盘取代信号灯泡具有以下的显著优点:
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能响信号的正常显示，提高了信号显示的可靠性。
2.寿命长
发光二极管的寿命为信号灯泡的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1/2。

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。现场不需调整,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東外，还有多条副光東,有利于增强主光束散角以及近光显示效果。

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．LED铁路色灯信号机组成和工作原理
现使用的LED铁路色灯信号机构有XSLE型、XlI型、XSZC(G、A)型、XLG(A、Y)型和XSL型等。
XSLE型由发光盘、BXZ-40点灯単元和GTB隔离报警调压单元组成。XLL型由发光盘和XLL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铁路色灯信号机的部件是配套使用的。现以XSL型LED铁路色灯信号机为例进行介绍。

XSL型LED铁路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和三灯位背板总成两种。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和三灯位箱体总成两种。两种机构背板总成不同外，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作用。

遮檐用M5X10的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，机柱上的机柱管接头用ф25蛇管接出并引至背板总成下方的配线盒内，并用两个U型螺栓固定。然后，由配线盒底板上的蛇管接头分为两路或三路经ф13蛇管引至高柱箱体总成侧面的蛇管接头上，电线穿在蛇管内。

（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。

2.PFL-1型铁路LED发光盘

（1）发光盘的分类

发光盘分为高柱发光盘、矮型发光盘和表示器发光盘。

高柱发光盘适用于高柱信号机构、遮断信号机构和高柱复示信号机构。矮型发光盘适用于矮型信号机构、引导信号机构、容许信号机构、矮型复示信号机构和发车线路表示器机构。表示器发光盘适用于表示器机构、高柱进路表示器机构、矮型进路表示器机构和棚下发车表示器机构。

（2）发光盘的结构

发光盘为圆形盘状结构,发光盘由103个LED以串并混联配置组成个别支部发生故障时，不影响信号机的发光，发光盘的结构如图1所示。

图1 发光盘

发光盘前罩上有鉴别销，以确认该灯位的颜色。只有发光盘的灯光颜色与该灯为灯箱玻璃卡圈上的鉴别槽相吻合，才能安装，发光盘前罩有三个突出的卡销，用来在安装时对准灯箱玻璃卡圈上的三个卡槽，以安装牢固。为满足曲线轨道的信号显示，可根据现场实际需要，安装偏散镜片，叠装在需要偏散的高柱发光盘的前面。发光盘后面有一个凸起的防雷盒。

3.FDZ型发光盘专用点灯装置

FDZ型发光盘专用点灯装置是为配合PFL-1型LED发光盘而研发的新一代信号点灯装置。它只能与PFL-1型发光盘配套使用。该装置输出的是稳定的12V直流电压,不仅性能稳定可靠，能适用于电压波动较大的区段，面且使用方便，现场不需要调整。FDZ型发光盘专用点灯装置原理如图2所示。由隔离变压器、整流电路、稳压电路和告警电器构成。输入电源经变压、整流后,由两路稳压电路进行稳压，两路稳压电路热备以保证输出稳定的12V直流电压。告警电路对发光

盘和两路稳压电路进行监督故障时发出告警。

图2 FDZ型发光盘专用点灯装置原理

三、LED点灯检测电路

LED的发光原理与灯泡不同，LED信号机直接替换灯丝信号机时，需要设计专门的点灯电路、驱动电路，并能与现有设备兼容。但是采用LED光源时，不牵涉到主副灯丝转换的问题，无需使用灯丝转换继电器，需要为LED发光盘设计专有的点灯电路。LED 发光盘损坏时，并不像直丝灯泡断丝，而是部分LED失效，表现为总工作电流的减小。如何检测LED 的损坏个数也是一个技术难题，所以本设计通过检测总电流的变化来实现鉴定LED发光盘的好坏。LED点灯检测电路（图3）通过告警电路输出告警信号。

图3 LED点灯检测电路

如图3所示，当LED损坏超过30%时，流过信号机的电流减小，所以信号机上端的电位降低，导致比较器LM393输出高电位，加到三极管VT的基极，从而是导致三极管VT导通。三极管导通以后，电流流过继电器J、三极管VT。从而导致检测继电器J吸起，进而接通输出告警电路，告警调试电路用来检查告警功能的好坏向控制室发出告警信号。当LED损坏的个数少于30%时，在铁路中规定是符合要求的，所以比较器LM393输出低电位，三极管VT截至，因此检测继电器J处于落下状态，从而不会接通告警电路。

参考文献

[1] 张建平.铁路信号机一体化的双灯设计 [J]铁路通信信号，2020（56）

[2] 张治国.铁路信号基础[M]西南交通大学出版社，2020

作者简介：高笠堯（2000——），男，陕西省汉中市，本科，西安交通工程学院。研究方向：轨道交通信号控制。