LED在铁路信号、照明上的应用及标准现状

　　1 LED在铁路信号和照明领域的应用概况

　　信号机构是重要的铁路信号设备，直接关系到行车安全。我国铁路有几十万台高柱或矮型色灯信号机，这些信号机是以双灯丝卤钨灯泡为光源，灯泡的寿命一般在2000h左右。色灯信号机属于远距离颜色灯光信号，五色显示制式，灯光散角要求较小(约2°)，光强度、颜色性能要求高。《TB/T1413-2001透镜式色灯信号机构及信号表示器》规定了信号机构的技术要求和试验方法。多年来铁路透镜式色灯信号机已形成严格的质量保证体系，包括产品质量监督检验和生产过程的质量控制，主要零部件都有铁道部认可的标准图及相关铁道部行业标准，确保产品安全可靠。

　　1998年开始，LED因其高光效、长寿命的特点，在铁路信号、照明领域开始应用，大致分为2个阶段:

　　1998～2000年为起步阶段，发光强度只能做到几百cd，后来红、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。此时的LED信号机是多光源系统，由多个直径为Φ5的LED管与聚光透镜阵列组成，LED数量为数十只到100多只，单元透镜直径为13～15mm。高柱机构的发光盘直径≥180mm，矮型机构的发光盘直径≥150mm。由于LED的颜色、光强度、控制电路的兼容性等方面不能满足铁路信号灯标准要求，应用数量很少。

　　2000～2012年，随着LED技术的不断发展，许多企业开始开发LED光源铁路主体信号机构，其中包括高柱、矮型信号机构及信号表示器、机车标志灯、道口信号灯、列车尾部标志灯、手信号灯等，应用数量迅速增大。同时LED白光在铁路照明领域得到广泛应用，主要的产品有车厢照明灯、机车顶棚灯、隧道灯、站场照明灯、工场灯、床头灯、巡道灯等。LED显示屏在铁路车站、调度所、列车上也得到广泛应用。

　　LED光源以其众所周知的优越性迅猛发展，正在取代白炽灯成为铁路照明领域的主要光源之一，但是由于铁路信号灯的安全可靠性要求非常高，LED是新型光源、线性光谱、对温度敏感等特点，取代已有的卤钨信号灯泡(或白炽信号灯泡)尚有诸多技术问题需要解决，本文提出这些问题并进行讨论。

　　2 LED铁路信号灯的性能

　　2.1 LED铁路信号灯的结构

　　《TB/T3242-2010LED信号机构通用技术条件》中，把LED铁路信号灯分为点式和盘式2种结构形式。

　　点式机构是由LED信号灯泡、内梯加外梯菲涅尔透镜组、可调灯座、点灯控制电路、灯箱等部分组成。点式模拟卤钨灯泡的工作方式，用2～3只LED作为主灯丝，另外2～3只LED作为副灯丝，当主灯丝故障时，转换到副灯丝工作，并报警。透镜组经过光学设计，内、外梯透镜各阶梯光路准确对应，具有短焦距、大相对孔径、光束利用率高的特点。点式LED信号机构的透镜组、灯头与原有尺寸相同，无需改动，只要增加LED电源及控制电路即可。点式LED信号机构透镜组见图1。

　　图1 LED铁路信号机构透镜组

　　盘式机构是由LED发光盘、发光盘卡圈、点灯控制电路、灯箱等部分组成。按使用又分为高柱LED信号机构和矮型LED信号机构2种。

　　盘式LED信号机构的发光盘是由多颗LED管组成，又分为大功率和小功率2种类型，盘式LED信号机构透镜片见图2。

　　图2 盘式LED信号灯透镜片

　　2.2 LED信号机构的光度性能要求

　　2.2.1 光强度性能

　　根据TB/T3242-2010，LED信号机构光轴方向的发光强度应不低于表1的规定。

　　机构水平方向光束散角不低于2°12'，且不大于6°;垂直方向散角不低于1°10'，且不大于6°。

　　表1 发光强度

　　2.2.2 灯光颜色要求

　　LED信号机构的灯光颜色应符合TB/T2081的规定，见图3，即红色、黄色、绿色、蓝色、白色灯光的颜色分别在图中相应的颜色范围内。

　　图3 铁路灯光信号颜色图

　　TB/T2081-1989《铁路灯光信号颜色》是参照国际照明委员会(简称CIE)出版的2.2-1975《灯光信号颜色》推荐的灯光颜色范围制定的。我国现行的国家标准GB/T8417-2003采用国际照明委员会CIEDS004.4-1998《灯光信号颜色标准》。TB/T2081-1989目前正在修订，已完成送审稿。

　　2.2.3 其他主要性能要求

　　除了以上的光学性能，TB/T3242-2010还对LED信号机构的抗强光干扰性能、高低温性能、交变湿热及抗振性能、电磁兼容性能、防雷性能、与现有电路的兼容性等做了规定，以保证其在现场的安全使用。

　　3 LED信号机构常见技术问题

　　LED信号机发光强度会随着环境温度的升高及点灯时间的延长而衰减。黄色衰减较为明显，颜色漂移也比较大，在高温70℃保持2h后，黄色光强度下降幅度有的可达50%以上，随着LED技术不断进步，黄色LED衰减有所降低。

　　以发光二极管为光源的信号机比以白炽灯为光源信号机的颜色纯度高，视觉感觉更鲜艳。红、绿、蓝3种颜色容易满足铁道行业标准的要求;黄色、白色有时不符合标准要求，白色有的偏向蓝色。

　　环境温度升高后，颜色坐标会漂移。在高温70℃保持2h后，有的黄色坐标超出范围落到红、黄之间;在低温-40℃保持2h后，颜色变浅，向绿色漂移。近年来，黄色LED的颜色漂移有了很大改善。

　　选择发光二极管时要根据铁道行业标准的规定，既要考虑光强度、颜色要求，同时考虑温度对颜色的影响。

　　色灯信号机是关系到铁路行车安全的重要设备，必须避免发生假显示现象，并尽量减少外界光线(如阳光、机车前照灯照射等)对信号显示的影响。假显示现象主要是由灯室内底板或隔板、灯具玻璃罩的表面、发光二极管内部管芯的反光杯等反射造成的，灯室内容易反光的表面要涂成黑色;灯具前玻璃罩的形状应予以改进，以防止镜面反射。

　　发光二极管是电流控制的光电元件，电源应具有稳压、稳流功能，根据现场实际情况确定可靠的电源和驱动电路，否则难以发挥其寿命长、光效高的优点。电源控制电路还应具有故障报警功能，与现场供电系统相配套，以提高信号机的安全可靠性，为现场使用创造条件。

　　LED信号机构还有电磁兼容和防雷的要求。在试验室检测中，经常会出现不合格。在现场使用中，也发生过感应电流致使绿色灯位点亮的情况，直接危及行车安全。

　　4 LED在铁路其他领域的应用

　　在铁路上应用较早的有LED手信号灯、卧铺车厢床头灯等。

　　1998年，LED手信号灯开始试用。当时，LED亮度还很低，颜色也不尽人意。绿色颜色、光强都不能满足要求;白色颜色发蓝，也不能满足要求。随着LED技术水平不断提高，产品性能明显提高，LED手信号灯目前已在铁路现场大量应用，已经基本取代了传统手信号灯。《TB/T1700-2004铁路手信号灯技术条件》规定了手信号灯的发光强度、灯光颜色、电池放电时间等要求。

　　由于生产厂经常采用色温较高的白色LED，所以床头灯的灯光会发蓝，阅读时眼睛很不舒适。为了解决这个问题，《TB/T3085.2-2003卧铺车厢用LED床头阅读灯》中规定了白色灯光的颜色范围。

　　近年来，大功率LED日趋成熟，在铁路上的应用也越来越多。例如用于车厢照明的还有LED筒灯、平板灯和日光灯，所使用的是大功率的LED白管。这些产品没有铁道部标准，检测依各个企业的标准。还有用于隧道、道路、站场照明灯的LED隧道灯、LED路灯和工场灯等。

　　5 结论

　　随着节能环保的呼声越来越高，白炽灯泡终将走出历史的舞台。目前，欧美日等多个发达国家已经停止白炽灯泡的生产。国家发改委发布《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，2016年10月1日起，禁止销售和进口15W及以上普通照明用的白炽灯。而LED以其不可替代的优点，必将成为新一代的光源，其在铁路上的应用也将越来越广泛。

编辑：Cedar