可直接代换铁路信号白炽灯泡的LED点光源装置的制作方法

本发明是一种用于铁路色灯信号机构的led光源，采用了大功率led芯片，新型的开关恒流技术，电流补偿技术，智能控制等多项现代电子技术。还采用了导热柱散热技术，来保证led芯片不过热。

技术背景

随着led发光技术的进步，led照明得到了普遍的应用。其高亮度长寿命的特点也得到了广泛的认可，在铁路信号点灯系统中也开始推广应用。铁路信号显示系统对铁路行车安全起着重要的安全作用。目前，铁路现场信号点灯系统采用的是白炽灯泡做为信号显示，它是一个由主副两组灯丝组成的白炽灯泡，有着较强的抗干扰能力，设计简单可靠。(见附图1)

点灯电源装置供电交流13v，白炽灯泡功耗为25w。当工作时首先使用主灯丝，当主灯丝故障时点灯电源装置自动切换到副灯丝工作。

led芯片具备性能稳定、功耗小、节能、长寿命等优点。但如何使led发光芯片达到白炽灯泡工作时的电流，并且使现有点光源装置能满足原有点灯电源装置，使室内灯丝继电器正常工作，又不改变原有点灯系统电路，这都是关键需要解决的技术难题。一般要使用led光源时除需更换led灯泡外，还必须用专用的led点灯电源装置来替换原有的点灯电源装置，这对于我国已建成正在运行的数万台信号机来说，更换的工作量和费用都是十分巨大。因而发明能直接替换原有铁路信号白炽灯泡的led铁路信号光源的装置就十分必要了。本装置不需改变和调整任何结构和电路就可以保证原铁路信号点灯系统的正常工作。(见附图2所示)

技术实现要素：

为了实现上述目标，本发明采用了：

1、一体化结构：本装置的结构与白炽灯泡的定焦盘和发光点相同，可直接与铁路信号白炽灯泡更换。led芯片热量由中心导热柱导出至外部散热片，可保证芯片的工作温度不过热。(见附图3所示)

2、开关恒流源电路：由于led发光二极管是一种半导体材料，对工作的环境温度比较敏感，在高温下容易损坏，往往是温度越高电流就会越大，电流越大又会加速温度升高而造成损坏。由于本装置是安装在信号机构内，机构灯室体积小、四面密封，散热条件很差，因而设计了开关型恒流源电路。调整用的晶体管处于开关状态，除了导通就是截止不会产生多余的热量，为led芯片、电解电容、二极管、集成电路等创造了合适的工作环境。

3、电流补偿电路：led芯片发光很省电，功耗仅为原白炽灯泡的1/10左右。如不加电流补偿电路，根本达不到也无法使点灯电源装置一次侧电流达到要求值，从而造成铁路信号点灯系统不能正常工作。为了解决这个问题，在led点光源装置的电压输入端并联了一个电流补偿模块，其增加的无功电流满足了室内灯丝继电器吸起电流值的要求。由于增加的是无功电流，不会产生实际的功耗，充分起到了节能效果。电流补偿电路详见电路图。当交流正弦波正半轴时是电解电容c1和二极管d8工作，电容c1正向充电，此时c2迅速放电，当交流正弦波负半轴时是电解电容c2和二极管d6工作，电容c2正向充电，此时c1迅速放电。形成了在主丝和公共端之间或副丝和公共端之间电流能够迅速增大，起到了电流补偿的作用。

4、监测控制电路：为了提高可靠性，led芯片分为主灯丝和副灯丝两组，工作时监测电路首先监测主灯丝的电压值，如有异常(开路/短路)即转入副灯丝工作，并将主灯丝故障的信息传递给点灯电源装置使报警电路工作。同时还加入了电流传感器来监测补偿电流。监测和控制功能是通过单片机来实现的，单片机程序将输入的电压值与程序中的预设值进行计算，从而达到控制继电器、晶体管的动作，完成主副灯丝的切换并将数据信息传输给点灯电源装置。

5、电路方框图(见附图4)和原理图(见附图5)

工作过程说明：

通过点灯电源装置公共端、主灯丝接线端给led点光源装置供电，通过二极管d1、d2、d3、d4组成的整流桥和电解电容c4、c5、c6把交流整型滤波为16v的直流电压，开关稳压集成电路u4、u1工作。单片机上电后，开始执行既定程序。首先让单片机u2第4脚变为低电平，再经过驱动集成电路u3的3脚、14脚、2脚进行倒相后由15脚输出低电平使j2继电器吸合。吸合后由d6、d8、c1、c2组成的电流补偿电路开始工作，这时串联在电路中的霍尔电流传感器u5的第7脚就输出了与电流成正比的电压信号，电压信号通过电容c11加到运算放大器u6上，经过其放大后由1脚输出。输出的信号再经由d5向c13充电后得到一个可代表补偿电流大小的直流电压。这个电压再由电阻r1、r2分压后加到单片机u2的1脚，进行补偿电流测量。当测量的结果低于设定的正常值，则表示供电电压过低或补偿电路故障，点光源装置不能工作。当测量的结果为正常值单片机u2的第5脚输出高电平，然后接入驱动集成电路u3的1脚，16脚输出低电平使j1吸合。单片机u2的第12脚变为高电平加到场效应管q1的栅极上，主丝led芯片工作正常。单片机u2的19脚通过电阻r3、r4检查主丝的工作电压，由于是恒流供电如芯片正常其电压必定在正常设定范围内，如有断路和短路的情况测量口电压将会大于或小于正常设定值。当电压值在正常设定范围内点光源装置主丝工作正常。当电压值不在正常范围内，表示主丝led有故障，单片机u2的第12脚变为低电平关闭主丝场效应管q1，u2第11脚变为高电平打开副丝场效应管q2，u2的第5脚变为低电平，使u3的16脚变为高电平释放j1继电器，改由点灯单元副丝端供电。同时点光源装置向点灯单元传递了led主丝芯片故障的信息(点灯单元主丝无电流，副丝产生电流)。通过单片机u2的第19脚检查副丝工作电压是否正常，当测量口电压在正常范围内表示副丝工作正常。当测量口电压不在正常范围内，单片机u2的第11脚也变为低电平，关闭副丝场效应管q2，单片机u2的第4脚也变为高电平通过u3使j2继电器释放，切断补偿电路补偿电流消失。这时点光源装置处于黑灯状态即点光源装置损坏。

附图说明：

图1是：白炽灯泡点灯电路图

图2是：led点光源点灯电路图

图3是：led点光源装置结构图

图4是：led点光源装置电路方框图

图5是：led点光源装置原理图

技术特征：

技术总结
本发明是一种用于铁路色灯信号机构的LED点光源，可直接代换铁路信号白炽灯泡而不用更换原有的点灯电源装置和任何其它设备。本发明采用了一体化结构可以很方便的装入原有信号白炽灯光的灯座内。由于LED灯泡本身很节能，点灯需要的电压低、电流小，而目前铁路系统中所使用的白炽灯泡在工作时所用电压为交流13V～16V，电流为2.1A。点灯电源装置一次侧电流达到120～150mA时，室内灯丝继电器才能可靠工作。为达到能够完全替代铁路信号白炽灯泡，本发明采用电流补偿技术、开关恒流技术以及单片机控制技术。使LED点光源在工作时满足与原有白炽灯泡点灯时所需的条件。点灯电源装置一次侧电流达到120～150mA，室内灯丝继电器才能可靠工作。

技术研发人员：孙宗福
受保护的技术使用者：兰州铁路电务器材有限公司
技术研发日：2016.05.16
技术公布日：2017.11.24